Tecnologia de los Alimentos Vol. 1 - Componentes de los Alimentos y Procesos

TECNOLOGIA DE LOS ALIMENTOS VOLUMEN I COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS Y PROCESOS P r o y e c t o E d t t o r ia l CIENCIAS QUÍMICAS Director. Guillermo Calleja Pardo Áreas de publicación: TECNOLOGÍA BIOQUÍMICA Y DE LOS ALIMENTOS Coordinador: José Aguado Alonso TECNOLOGIA DE LOS ALIMENTOS VOLUMEN I COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS Y PROCESOS Juan A. Ordóñez Pereda (editor) María Isabel Cambero Rodríguez Leónides Fernández Álvarez María Luisa García Sanz Gonzalo D. García de Fernando Minguillón Lorenzo de la Hoz Perales María Dolores Selgas Cortecero O EDITORIAL SÍNTESIS, S. A. VaUebennofo. 34-28015 Madrid Teléf.: 91593 20 98 http:tfwww.sintess.c0m Depósito Legal: M. 20578-1958 ISBN: 84-7738-5754) ISBN obra completa: 84-7738-577-7 Impreso en Espida • Printed in Spain http://www.sintess.c0m ÍNDICE PR Ó LO G O ...................................................................................................................... 11 1. CONCEPTO Y OBJETIVOS DE LA TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS 1.1. Desarrollo histórico........................................................................................ 14 1.2. Alimentos y nutrientes................................................................................... 18 1.3. Concepto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos ................................ 19 1.4. Objetivos de la Tecnología de los Alimentos .............................................. 20 2. AGUA 2.1. Introducción ............................... 24 2.2. Constantes físicas del agua y del hielo ......................................................... 24 2.3. La molécula de ag u a ....................................................................................... 24 2.4. Estructura del hielo y del ag u a ...................................................................... 26 2.5. Propiedades disolventes del agua ................................................................. 27 2.6. Interacciones del agua con sustancias apolares.......................................... 28 2.7. Efecto de los solutos en la estructura del agua .......................................... 29 2.8. Efecto de los solutos en la estructura del h ie lo .......................................... 29 2.9. Actividad de a g u a ........................................................................................... 29 2.10. Isotermas de sorción de agua ........................................................................ 32 2.11. Aplicación de las isotermas de sorción en Tecnología de los Alimentos . 35 3. LÍPIDOS 3.1. Introducción .................................................................................................... 38 3.2. Ácidos grasos de los alimentos...................................................................... 39 3.2.1. Ácidos grasos saturados de cadena lineal .................................... 39 3.2.2. Ácidos grasos insaturados de cadena linea l.................................. 40 3.3. Características de los glicéridos ........................................ 41 3.4. Características de los fosfolípidos................................................................. 42 3.5. Fracción insaponificable ................................................................................ 42 3.6. Propiedades físicas.......................................................................................... 43 3.6.1. Polimorfismo ..................................................................................... 43 3.6.2. Punto de fusión.................................................................................. 44 3.6.3. Viscosidad .......................................................................................... 44 3.6.4. Calor específico ................................................................................. 45 3.6.5. Calor latente de fusión ..................................................................... 45 3.6.6. índice de refracción .......................................................................... 45 3.6.7. Densidad ............................................................................................ 45 3.6.8. Solubilidad ......................................................................................... 46 3.6.9. Plasticidad .......................................................................................... 46 3.7. Tratamientos de modificación de las grasas .............................................. 47 3.7.1. H idrogenación................................................................................... 47 3.7.2. Transesterificación (interesterificación)......................................... 49 3.7.3. Fraccionamiento................................................................................ 50 3.8. Enranciamiento autooxidativo..................................................................... 50 3.8.1. Reacciones de oxidación de los lípidos .............................. 50 3.8.2. Factores que intervienen en la oxidación de los lípidos de los alim entos.......................................................... 52 3.9. Reversión del sa b o r.................................................................................... 54 3.10. A ntioxidantes................................................................................................. 54 3.10.1. Antioxidantes tipo I .......................................................................... 55 3.10.2. Antioxidante tipo I I .......................................................................... 56 3.10.3. Antioxidantes tipo I I I ....................................................................... 57 3.11. Enranciamiento lipolítico ............................................................................. 57 4. PROTEÍNAS 4.1. Introducción .................................... 60 4.2. Propiedades funcionales de las proteínas ................................................... 60 4.3. Propiedades de hidratación .......................................................................... 61 4.4. Solubilidad...................................................................................................... 62 4.5 Viscosidad....................................................................................................... 64 4.6. Gelificación..................................................................................................... 65 4.7. Formación de pastas proteicas ..................................................................... 66 4.8. Texturización.................................................................................................. 67 4.9. Propiedades surfactantes de las proteínas .................................................. 68 4.9.1. Propiedades emulsionantes.............................................................. 69 4.9.2. Propiedades espum antes.................................................................. 71 4.10. Fijación de arom as......................................................................................... 73 4.11. Modificaciones en las propiedades funcionales de las proteínas sometidas a procesos tecnológicos ................................................................ 74 5. CARBOHIDRATOS 5.1. Introducción ................................................................................................... 78 5.2. Clasificación de los carbohidratos ............................................................... 78 5.2.1. Monosacáridos................................................................................... 78 5.2.2. Oligosacáridos ................................................................................... 79 5.2.3. Polisacáridos ...................................................................................... 79 5.3. Propiedades fisicoquímicas y sensoriales de los monosacáridos............. 79 5.3.1. Higroscopicidad................................................................................. 79 5.3.2. M utarrotación.................................................................................... 79 5.3.3. Estado v itreo ...................................................................................... 80 5.3.4. Cristalización ..................................................................................... 80 5.3.5. Inversión de los azúcares.................................................................. 80 5.3.6. Poder edulcorante............................................................................. 81 5.4. Propiedades funcionales de los polisacáridos............................................ 82 5.4.1. Solubilidad ......................................................................................... 82 5.4.2. Hidrólisis de los polisacáridos ......................................................... 83 5.4.3. Viscosidad .......................................................................................... 83 5.4.4. Capacidad de formar geles............................................................... 84 5.5. Transformaciones de los carbohidratos por acción del calor .................. 85 5.5.1. Caramelización.................................................................................. 85 5.5.2. Pardeamiento no enzimático ........................................................... 86 5.6. Principales polisacáridos.............................................................................. 92 5.6.1. Almidón ............................................................................................. 92 5.6.2. G lucógeno.......................................................................................... 94 5.6.3. Celulosa.............................................................................................. 94 5.6.4. Hemicelulosas.................................................................................... 95 5.6.5. Ciclodextrinas ....................................................................... 95 5.6.6. Sustancias pécticas ............................................................................ 95 5.6.7. G om as................................................................................................. 97 5.7. Fibra ................................................... 98 6. VITAMINAS, MINERALES Y ENZIMAS 6.1. Vitaminas y minerales .................................................................................. 102 6.2. Pérdida de vitaminas y minerales en los alimentos procesados.............. 102 6.2.1. Vitaminas hidrosolubles................................................................... 105 6.2.2. Vitaminas liposolubles...................................................................... 112 6.2.3. M inerales............................................................................................ 114 6.2.4. Pérdida de vitaminas durante el almacenamiento ....................... 115 6.3. Adición de nutrientes a los alimentos ........................................................ 115 6.4. Enzim as........................................................................................................... 116 6.4.1. Enzimas endógenas en los alim entos.............................................. 116 6.4.2. Utilidad de las enzimas en Tecnología de los A lim entos 118 6.4.3. Aplicación de enzimas exógenas en la elaboración de alimentos. 118 6.4.4. Enzimas inmovilizadas ..................................................................... 121 6.4.5. ¿Enzimas libres o inmovilizadas?................................................... 126 7. ALIMENTOS FRESCOS 7.1. Alteración de los alimentos frescos............................................................ 130 7.2. Estrategias de la conservación de los alimentos ....................................... 131 7.3. Estrategias de la transformación de los alimentos..................................... 132 8. CONSERVACIÓN POR EL CALOR 8.1. Introducción .................................................................................................... 138 8.2. Comportamiento de microorganismos y enzimas frente a la temperatura. 138 8.3. Cinética de la destrucción de los microorganismos por el calor ............... 139 8.4. Termorresistencia de los microorganismos................................................. 141 8.5. Valor F .............................................................................................................. 143 8.6. Tratamientos térmicos aplicados en la práctica .......................................... 144 8.7. Tipos de tratamientos térm icos..................................................................... 146 8.7.1. Esterilización ..................................................................................... 146 8.7.2. Pasterización...................................................................................... 151 8.7.3. Termización ....................................................................................... 154 9. UTILIZACIÓN DE RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. IRRADIACIÓN DE ALIMENTOS 9.1. Radiaciones electromagnéticas en la Industria A lim entaria.................... 156 9.2. Radiaciones electromagnéticas no ionizantes............................................. 156 9.2.1. Radiación infrarroja........................................................................ 156 9.2.2. Radiación m icroonda ............................................................ 161 9.2.3. Calentamiento dieléctrico.............................................................. 173 9.2.4. Calentamiento óhmico ................................................................... 174 9.2.5. Calentamiento por inducción ........................................................ 177 9.3. Irradiación de alimentos ................................................................................ 177 9.3.1. Efecto químico y biológico de la irradiación ................................. 178 9.3.2. Efecto en la calidad nutricional y en las características organolépticas de los alim entos....................................................... 182 9.3.3. Aplicación en la Industria A lim entaria........................................ 184 9.3.4. Fuentes y planta de radiación........................................................ 188 10. CONSERVACIÓN POR FRÍO 10.1. Introducción .................................................................................................... 194 10.2. Conceptos de refrigeración y congelación................................................... 194 10.3. Refrigeración y almacenamiento en refrigeración .................... 195 10.3.1. Efecto de la refrigeración en la velocidad de las reacciones quími­ cas y enzimáticas y en el crecimiento de los microorganismos .... 195 10.3.2. Importancia de las características del alim ento........................... 197 10.3.3. Factores que hay que controlar durante el almacenamiento en refrigeración................................................................................... 198 10.3.4. Características de los alimentos refrigerados .............................. 200 10.3.5. Otras aplicaciones de la refrigeración .......................................... 200 10.4. Congelación y almacenamiento en congelación ........................................ 201 10.4.1. Teoría de la cristalización................................................................. 201 10.4.2. Curvas de congelación...................................................................... 203 10.4.3. Modificaciones que se producen en los alimentos durante su congelación. Efecto sobre las reacciones químicas y enzimáticas ..................................................................... 206 10.4.4. Efecto de la congelación en los microorganismos........................ 210 10.4.5. Modificación de los alimentos durante su almacenamiento en congelación ................................................................................... 211 10.4.6. Importancia del estado vitreo en la estabilidad de los alimentos congelados............................................................. 216 10.4.7. Otras aplicaciones de la congelación .............................................. 220 10.5. Producción industrial de frío ......................................................................... 221 10.5.1. Sistemas mecánicos........................................................................... 221 10.5.2. Sistemas criogénicos ......................................................................... 222 10.5.3. Necesidades de refrigeración........................................................... 223 10.6. Métodos y equipos.......................................................................................... 227 10.6.1. Equipos empleados para la refrigeración....................................... 228 10.6.2. Equipos empleados para la congelación ........................................ 230 10.6.3. Selección del método y del equipo de congelación...................... 236 10.7. Descongelación............................................................................................... 238 10.7.1. Métodos de descongelación............................................................. 241 11. CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS BASADA EN LA MODIFICACIÓN DEL pH, ATMÓSFERA Y ACTIVIDAD DE AGUA. EVAPORACIÓN Y DESHIDRATACIÓN 11.1. pH ..................................................................................................................... 246 11.1.1. El pH y los microorganismos alterantes......................................... 247 11.1.2. El pH y los microorganismos patógenos........................................ 247 11.2. Atmósferas ...................................................................................................... 248 11.3. Actividad de agua (aw) ................................................................................... 249 11.3.1. aw y microorganismos alterantes y patógenos .............................. 251 11.3.2. La aw y las reacciones químicas y bioquímicas ............................. 253 11.4. Concentración de los alimentos por evaporación...................................... 254 11.4.1. Fundamentos de la evaporación...................................................... 254 11.4.2. Factores que modifican el punto de ebullición y la transferencia de energ ía ............................................................ 255 11.4.3. Efecto en las propiedades de los alimentos .................................. 257 11.4.4. Equipos y aplicaciones ..................................................................... 258 11.5. D eshidratación................................................................................................ 272 11.5.1. Fundamentos de la deshidratación ................................................. 273 11.5.2. Velocidad de secado. Fases y curvas de secado ............................ 278 11.5.3. Efecto en las características de los alimentos ............................... 282 11.5.4. Equipos y aplicaciones ..................................................................... 285 11.5.5. Liofilización ....................................................................................... 297 11.5.6. Deshidratación osm ótica.............. 304 11.5.7. Conservación de los alimentos deshidratados................................ 305 11.5.8. Reconstitución de los alimentos deshidratados............................ 305 12. OPERACIONES DE TRANSFORMACIÓN 12.1. Introducción .................................................................................................... 310 12.2. Reducción de tam año ..................................................................................... 310 12.2.1. Reducción de tamaño de alimentos sólidos.................................. 311 12.2.2. Reducción de tamaño de alimentos líquidos................................. 315 12.3. Aumento de tamaño ..................................................................................... 318 12.4. Mezcla ....................................................................................................... ,..... 320 12.5. M oldeado......................................................................................................... 323 12.6. Modificación de la te x tu ra ............................................................................. 323 12.6.1. Gelificación....................................................................................... 323 12.6.2. Texturización .................................................................................... 324 12.7. Extrusión.......................................................................................................... 325 12.8. Operaciones de separación............................................................................ 330 12.8.1. Selección y clasificación ................................................................. 330 12.8.2. Sedimentación .................................................................................. 331 12.8.3. Centrifugación ..................................................................... 332 12.8.4. F iltración........................................................................................... 335 12.8.5. Prensado o estrujamiento............................................................... 339 12.8.6. Separación con membranas ......................................................... 339 12.8.7. Extracción......................................................................................... 349 12.8.8. Cristalización.................................................................................... 357 12.9. Transformaciones químicas....... ..................................................................... 358 12.9.1. Por tratamiento térm ico .................................................................. 358 12.9.2. Por tratamiento químico y enzimático ......................................... 361 12.9.3. Fermentaciones ................................................................................ 361 PROLOGO El presente libro está dirigido a todos lo? alumnos de las diversas titulaciones en las que se contempla el estudio de los alimentos, como Farmacia, Veterinaria, Ingenieros Agrónomos y Ciencia y Tecnología de los Alimentos y, en general, a cualquier licenciado con conocimien­ tos generales de Química, Física, Microbiología y Bioquímica que está interesado en profundi­ zar en el conocimiento de los alimentos. No obstante, los más beneficiados serán los estu­ diantes de Veterinaria, dado que en este libro se estudian fundamentalmente los alimentos de origen animal. Asimismo, todos los técnicos que trabajan en la industria alimentaria tienen en estas páginas una buena fuente de informa­ ción relacionada con sus actividades. La obra se ha dividido en dos volúmenes: el primero trata de los aspectos bioquímicos de los alimentos, de sus componentes y de los tra­ tam ientos tecnológicos que habitualmente se aplican a los mismos para su comercialización, y el segundo trata, específicamente, de la tec­ nología de los alimentos de origen animal. Como el estudio del procesado de alimentos requiere unos conocimientos previos sobre di­ versos aspectos bioquímicos y microbiológicos específicos de los mismos, el volumen I, tras un primer capítulo dedicado a la historia, el con­ cepto y los objetivos de la Tecnología de los Alimentos, se inicia con un bloque de tem as donde se estudian el agua, los principios inme­ diatos, los oligoelementos y las enzimas. No se ha intentado profundizar en la estructura de estos componentes porque se ha considerado que los estudiantes deben poseer ya tales cono­ cimientos; se describen las propiedades físicas y químicas de interés y, sobre todo, las propie­ dades funcionales de todos los componentes mencionados que adquieren relevancia en rela­ ción con la conservación y la elaboración de los alimentos. Además, como uno de los objetivos de la Tecnología de los Alimentos es el suminis­ tro de alimentos nutritivos y «pMMÉfeÉM ari con­ sumidor. se han incluido las reacciones desfa­ vorables en las que dichos componentes están implicados y la sensibilidad de algunos de ellos, sobre todo las vitaminas, frente, a im procesos tecnológicos. Otro de los objetivos de la Tecnología de los Alimentos es la ampliación de la vida útil de los alimentos (conservación) y suministro (trans­ formación de los alimentos), en lo que se detie­ ne el siguiente bloque y cierra ei volumen I. Se tratan los procesos que se aplican en la indus­ tria alim entaria, con una descripción de las operaciones que pueden utilizarse para la con­ servación y la transformación de los alimentos. Los contenidos de estos capítulos son válidos, e - su mayor parte, tanto para alimentos de ori­ gen animal como vegetal, aunque se hace ma­ yor énfasis en los más relevante a les primeros. En el volumen II, específico de los alimen­ tos de origen animal, se describen los tra ta ­ mientos aplicados para su conservación y/o transformación En primer lugar, se aborda e! estudio de la leche y los productos lácteos, con un anáiisis pormenorizado de sus componentes y de los microorganism os que más transcen­ dencia tienen en Lactologia; a continuación, se describen los procesos de elaboración de los distintos productos lácteos haciendo especia! referencia a los aspectos tecnológicos particu­ lares de cada uno de ellos. Se continúa con las características generales y sensoriales de la car­ ne, su tecnología y la de los productos elabora­ dos a partir de ella. Con el-mismo esquema, se estudian el pescado y los productos derivados de la pesca. Finalmente, ei último capítulo se dedica ai huevo y los ovoproductos. El conjunto de la obra incluye un análisis en mayor profundidad de los aspectos, proce­ sos u operaciones que han sido desarrollados recientem ente. Así, por ejemplo, en el volu­ men I se han descrito sucintamente los tra ta­ mientos térmicos, los procesos de evaporación y deshidratación o la aplicación de frío, opera­ ciones bien conocidas, m ientras que se han analizado con mayor profundidad, entre otros: los hornos microondas y sus aplicaciones; los tratam ientos de irradiación, como un método físico de conservación menos extendido que la aplicación de calor; la extrusión, todavía en de­ sarrollo pero que ha encontrado ya numerosas aplicaciones ^pastas, aperitivos, regaliz, goma» de mascar, poroteína texturizada, etc.); la sepa­ ración por membranas, que ha evolucionado mucho en los últimos años a raíz de la prepara­ ción de membranas de tamaño de poro unifor- rr i. etc. Por otra parte, en ios procesos clásicos s« han recogido los últimos avances, por ejem- p.o la transición vitrea (un concepto físiccquí- mico básico que se ha aplicado recientemente a les alimentos, que puede ser de gran utilidad p ira explicar la estabilidad de los alimentos congelados o productos deshidratados, extrui- d :s. etc.), y se han introducido las innovacio- nrs de los equipos utilizados en operaciones clásicas, como e! sistema Urschel Comiíro! pa­ ra la reducción de tamaño. De la misma forma, en el volumen II se ha analizado con menos profundidad la refrigera­ ción de la carne o la fabricación de leche con- densada o en polvo y se ha abundado más en el estudio de las carnes reestructuradas y análo­ gos de carne (que se impulsaron a partir de la década de los setenta), en el surimi y los con­ centrados proteicos de pescado (que han alcan­ zado recientemente una gran aceptación en el mercado occidental), en los fenómenos bioquí­ micos de la maduración del queso (cuyo cono­ cimiento científico detallado se ha ido desve­ lando en los últimos años) o en el uso de a t­ mósferas modificadas para ¡a ampliación de la vida útil de la came (cuya implantación ha sido posible gracias a! desarrollo del material plásti­ co, aplicándose comercialmente a las carnes desde la década de los ochenta). Esta obra reúne, aí tiempo, los aspectos bio­ químicos, microbiológicos, tecnológicos, etc. que permiten un estudio global de los alimen­ tos de origen animal. Con ella, los autores con­ fían en que el lector comprenda no sólo los fundamentos sino cambiéa los procesos tecno­ lógicos utilizados en la industria alimentaria. 1 CONCEPTO Y OBJETIVOS DE LA TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS En este capitulo se hace una breve historia de los cambios sufridos en la alimentación del hombre a través de los tiempos, desde la prehistoria hasta la actualidad, y se analiza el progreso de los diferentes métodos de conservación. Asimismo, se definen los conceptos de alimento y de nu­ triente y, por último, se describen los objetivos de la Tecnología de los Ali­ mentos. 1.1. Desarrollo histórico Hace a! menos cuatTO millones de años los prehomínidos, por desconocidas razones, se desplazaron desde los árboles de los bosques a las sabanas y cambiaron su dieta vegetariana por la forma omnívora, lo que supuso un pro­ fundo efecto en la evolución, desde un punto de vista tanto biológico como cuiturai. Tras un largo período evolutivo, las extremidades infe­ riores fueron sufriendo más y mejores adapta­ ciones para una posición erecta y, muy lenta­ mente, las extremidades superiores fueron que­ dando liberadas de su aptitud para caminar y finalmente la mano, al quedar libre, se convir­ tió en un factor clave en la evolución del hom­ bre, ¿Qué animales disponen de manos capa­ ces de elaborar utensilios? Los restos fósiles (cráneos, mandíbulas, dientes sueltos) indican que hace aproxim adam ente tres millones de años existieron ya unos prehomínidos. los Australopitecus (A. afarensis, .4. robustus y .4 boisei) con algunos caracteres que recuerdan lejanamente al hombre moderno. El salto hacia el Homo comenzó con la trans­ formación del A afarensis en Homo habilis (hace unos dos millones de años) y éste en H o­ mo erectus (hace millón y medio de años, apro­ ximadamente), donde están incluidos los lla­ mados Pitecántropos. Bajo esa denominación global se incluyen el hombre de Java, de Pekín, de Yuanmou. etc. (500-200 mil años). Los uten­ silios hallados junto a los restos de estos indivi­ duos indican un grado de evolución mental. Más evolucionados, sin duda, son el hombre de Neanderthal (100-35 mil años), capaz de tallar la piedra de una forma muy perfecta, y el de Cromagw x (hace unos cuarenta mil años), au­ tores de las pinturas rupestres de A ltam ira. Lascaux, etc., que pertenecen ya a la especie Homo sapiens. Es probable que los primeros prehomínidos vivieran en grupos poco numerosos y se des­ plazaran por. la sábana en busca de alimento y puntos de agua. La morfología dentaria evoca un régimen alimenticio basado en heroáceas y gramíneas. Sin embargo, los A ustralopitecus debieron tener una dieta más variada de tipo omnívoro; la alimentación cárnica consistía, probablemente, en pequeños animales (repti­ les, roedores, e tc ) y cadáveres de grandes ma­ míferos abandonados por los anímales carnívo­ ros Los Pitecántropos de la especie Homo erecitis, cuyos utensilios han sido descubiertos en campamentos al aire libre o en cuevas, eran cazadores hábiles capaces de abatir grandes animales. Hace unos quinientos mil años, las glaciacio­ nes forzaron al hombre a adaptarse rápidamen­ te; el uso de cuevas por grupos de 50-;0Q indivi­ duos creó un ambiente propicio para una mayor acción social Es entonces cuando el hombre descubre el fuego, lo que contribuye a aumentar la vida social alrededor del hogar que el fuego calienta e ilumina. Alrededor del hogar, los ca­ zadores cuentan sus hazañas y proyectan la caza del día siguiente, lo que va a reforzar los lazos que unen a la familia y a la tribu. Las tradicio­ nes cultuales comunes unirán a estos hombres, que transmitirán sus técnicas y su sabiduría. De esta forma nacieron las civilizaciones, se desa­ rrollaron y evolucionaron independientemente pero sin perder su propia identidad El control del fuego constituye un hito en la evolución del hombre prehistórico. El fuego no sólo mantiene al hombre caliente sino también ilumina su hogar, le protege contra tos anima­ les salvajes, le proporciona un centro de comu­ nidad y modifica profundamente sus alimentos. Las carnes asadas tienen una textura y sabor muy diferente de las crudas; además, se alteran más lentamente, aumenta su digestibilidad y se eliminan microorganismos potencialmente pe­ ligrosos. Cuando el hombre aprendió a contro­ lar el fuego y lo utilizó para librarse del frío y para iluminar su hogar estaba ya. de una forma inconsciente, practicando el ahumado. Más ta r­ de, movido por la necesidad de abastecerse en las épocas de escasez, el hombre utilizó proba­ blemente el ahumado y la desecación como una forma de prolongar la vida útil de sus ali­ mentos. Pasada esta primera larga etapa, la humani­ dad evolucionó velozmente. En ei Paieoiínco y Mesolítico (30.000-8.000 años) el hombre to­ davía no se ha hecho agricultor pero utiliza co­ mo alimentos una gran variedad de productos: huevos, frutas, semillas, raíce», insectos, pesca­ do, miel y pequeños y grandes animales. Es en e! Neolítico (9.000-3.500 años) cuando aparece una agricultura rudimentaria consistente prin­ cipalmente en cultivos estacionales. En este período el hombre también domestica los ani­ males, a los que utiliza como ayuda para traba­ jar y como alimento. No se sabe en qué orden lo hizo, pero sí que la cabra, e! yak. el búfalo y el cerdo los domesticó en la primera etapa del Neolítico, y el caballo, camello, asno, elefante y gallina al fina! de este período. Con estos nuevos avances, el hombre aumentó la diversi­ dad de sus alimentos, en especial la leche y los productos lácteos (leches fermentadas y que­ so) que se formaban por fermentación espon­ tánea. En la Edad del Bronce (3.500 años a. C.) comenzó a regar sus cultivos, lo que se cree fue una de las causas que originó un espectacular incremento de la población en Mesopotamia. Igualmente, utilizó e! caballo y los bóvjdos pa­ ra arar los campos, apareció el comercio local y de más larga distancia y cultivó las frutas. Am­ plió sus alimentos, en especial los de origen ve­ getal incluyendo en la dieta higos, arroz, aceite de oliva, cebolla, dátiles, uvas, etc. En la Edad del Hierro (1.500 años a. C.) aparece el comercio a gran escala, t2nto por mar como por tierra y se mejoran los útiles de labranza. Como alimentos, se incluyen en la dieta otros nuevos, como especias, salsas y di­ versas frutas. Más tarde, por fin, en la época griega y, sobre todo, en la romana se llega a la plenitud de la agricultura con el uso de fertili­ zantes, la rotación de cultivos, etc. En las cuencas de los grandes ríos (A m ari­ llo, Tigris-Éufrates, Indo-Ganges y Nilo) se desarrollaron grandes civilizaciones. A través de las escrituras cuneiformes de los sumerios, aigunas de ias cuales se remontan a unos seis mil años a. C., se sabe que este pueblo elabora­ ba ya diversos productos lácteos y es probable que el origen de los mismos fuera mucho más antiguo, de la prim era época del Neolítico, cuando el hombre aprendió a domesticar los animales. Además, los sumerios eran muy de­ pendientes de la cerveza, como lo demuestran ios registros históricos que han llegado a nues­ tros días: un trabajador recibía un litro de cer­ veza por día, los oficiales de baja graduación 2, los de más elevada 3 y la nobleza 5. Igualmente, en el código de Hammurabi (1728-1638 a. C.) se presta una atención especial a la cerveza y se prohíbe la venta del producto con un bajo con­ tenido alcohólico a un elevado precio; con ello, se está previniendo el aguado. Es un claro ejemplo de la intervención del gobierno en la Industria Alimentaria. Los jeroglíficos y las tumbas, donde se des­ criben y representan escenas cotidianas del an­ tiguo Egipto, han proporcionado valiosos datos acerca de los alimentos y de los medios de con­ servación que los egipcios utilizaban. La dieta era muy variada para la clase dirigente pero si­ gue siendo todavía un enigma lo que comía el elevado número de esclavos y soldados que servían a los faraones. Por ejemplo. Ramsés II tenía unos 50.000 caballos para sus carros de guerra, lo que da una idea de la población que había que alimentar en aquella época. No obs­ tante, se sabe que los egipcios desecaban y sa- lazonaban el pescado que capturaban en el Mediterráneo y en el Nilo, ya en las primeras dinastías elaboraban cerveza y vino y sabían distinguir entre la primera fermentación alco­ hólica y la secundaria acética que conducía a la obtención de vinagre. Fabricaban también pan y conocían la forma de preparar malta, que al principio fue utilizada como edulcorante y más tarde para la fabricación de cerveza. Los egip­ cios sabían también cómo fabricar queso, como lo demuestran los restos de este alimento en­ contrados en jarrones de alabastro de la prime­ ra dinastía. Los griegos utilizaban una amplia variedad de alimentos (carnes de todos los tipos, princi- pálmente de cerdo y aves, pescados y una gran variedad de productos vegetales), que utilizaron ?».< ci*«"ilíz2cicn.25 csí» v dii sur ds den d i hs* redaron muchos de sus hábitos alimenticios. Ellos añadieron a la dieta nuevos productos, co­ mo el aceite de oliva (cuya técnica de fabrica­ ción l i importaron de Creta o de Asia Menor, dandi ya se producía hacia e! 1500 a. C.). crus­ táceos y moluscos. E! aceite dé oliva, además de utilizarlo como alimento, en ritos religiosos y como cosmético, se usó como agente conser­ vador, con ei fin de excluir el aire. Los griegos conocían también la forma de enfriar líquidos por evaporación, en recipientes de barro. Aris­ tóteles (siglo tv a. C.) habla del queso de Frigia hecho con leche de asna y yegua, de cuyo gran valor nutritivo tuvo conciencia. La época romana se caracterizó por el co­ mercio a gran escala tanto a cortas como a lar­ gas dis tancias. U na de las razones de la expan­ sión dst Imperio Romano fue la necesidad de obtener más alimentos para Roma. Así, el tri­ go producido en Egipto, España y África del norte, aseguraba el abastecimiento de la capital del imperio, mientras los romanos distribuían por todas sus provincias las mejoras que hací­ an en la agricultura, tales como el descanso de la tierra, la fertilización, la rotación de culti­ vos, la trilla, etc. El prensado, una de las operaciones tecno­ lógicas, fue profundam ente mejorado por los romanos. Coiumela (siglo l) describe una pren­ sa para obtener aceite de oliva y Ptinio (siglo I) otro tipo donde se combina la palanca y la ros­ ca. Coium ela describe también en su De Re Rustica la fabricación de queso e informa que había existido una evolución gradual desde la formación de la cuajada por fermentación natu­ ral hasca una producción controlada, como el control de la tem peratura para regular la acción del cuajo y la compresión cuidadosa de la cuaja­ da para evitar desviaciones durante el proceso madurativo. A través de los escritos de estos au­ tores y de otros, cóm o Catón (siglo u a. C.) y Varón (siglo I a. C.), sabemos que los romanos utilizaban recipientes de barro para proteger los alim entos, que practicaban de una forma regular el salazonado y la acidificación con vi­ nagre procedente de la oxidación de! alcohol, que utilizaban la miel como medio de conser­ vación y que desecaban diversos alimentos al sol. Fueron excelentes panaderos y vinateros y propagaran las mejoras del cultiva de la vi i a través de todo el Imperio. Aunque la dieta de los plebeyos, fundamentalmente a base de ce­ reales, era mucho má3 pobre que la de los pa­ tricios, por los escritos de Catón y Coiumela se sabe que aquéllos salazonaban y curaban la carne de sus animales domésticos, sobre tedo la procedente del cerdo, y elaboraban con el pescado, por salazón y adición de especias, di­ versos tipos de salsas, entre ellas, el garum, de la que Plinió escribió que “apenas ningún o no líquido, excepto los ungüentos, ha llegado a ser más apreciado”. Curiosam ente conocían ya, aunque de una forma totalmente empírica, os efectos desfavorables de los metales en la auto- oxidación de las grasas, puesto que recomenda­ ban no utilizar recipientes metálicos para el al­ macenamiento del aceite de oliva. Se dispone •también de datos que demuestran que los em­ peradores hacían enfriar el vino y otros alimen­ tos mediante hielo transportado desde (as mon­ tañas. E n este sentido, parece ser que utiliza­ ban en verano bebidas heladas. La Edad M edia constituyó un largo parén­ tesis en el estudio de nuevos procedimientos de conservación y elaboración. Ño obstante, se in­ trodujeron en Europa nuevos alimentos proce­ dentes principalmente del este. Los mongoles introdujeron en Europa el alforfón, denomina­ do vulgarmente trigo negro o sarraceno. Las cruzadas ocasionaron la importación a Europa de fru tas y verduras que se desconocían. En Italia se desarrollaron las pastas, introducidas, posiblemente, por Marco Polo como resultado de los viajes que hizo a China. Igualmente este viajero llevó una receta de Pelan a Veneda en 1292 de leche helada. La destilación se-empezó a utilizar en Italia hacia el año 1100 de nuestra era y su práctica era normal en la Europa del siglo XIV. E l azúcar de caña fue otro producto que surgió en la última parte de la Edad M e­ dia. en Egipto y en el Oriente Medio. •! sisjl? x v v p csttric rss , !* ¿*! hombre europeo sufrió un importante cambio con el descubrimiento de América. En espe­ cial, el tomate, el maíz y la patata vinieron a re­ volucionar el v¡-jo mundo, aunque realmente la patata, probablemente originaria de Perú o Solivia, no se aceptó masivamente como ali­ mento hasta el siglo x vu i. Igualmente, los via­ jes a la India, cada vez más frecuentes, supusie­ ron un aum ento en el comercio y, en conse­ cuencia, el uso masivo de las especias que de allf procedían. En el plano tecnológico, el impacto mayor se produjo en 179S cuando el fabricante de cer­ veza y luego pastelero francés Nicolás Appert consiguió conservar diversos alimentos al enva­ sarlos en recipientes sellados y calentarlos des­ pués en agua hirviendo. Con ello, en 1810, ga­ nó un prem io establecido por Napoleón para quien fuera capaz de inventar un procedimien­ to de conservar los alimentos que permitiera abastecer a sus tropas, localizadas a grandes distancia de sus bases de aprovisionamiento. Se habla inventado uno de los procedimientos más eficaces para destruir los microorganismos de los alimentos. El sistema diseñado por A p­ pert fue uno de los avances científicos más im­ portantes de la Industria Alimentaria que más tarde darla lugar a la industria del enlatado. El primitivo procedimiento de fabricar latas de D urand proporcionaba un rendimiento de unos 10 recipientes diaños, los actuales pueden producir más de 1.000 por minuto. Al princi­ pio, en 1860, la esterilización de las latas se efectuaba durante 5 o 6 horas a 100 *C, en agua hirviendo. Más tarde, se logró aum entar la tem peratura a 115,5 *C efectuando «1 calenta­ miento en agua adicionada de cloruro cálcico, con lo que se logró reducir el tiempo de esteri­ lización, y en 1874 se introdujo el autoclave, que es el procedimiento utilizado actualmente aunque, por supuesto, más automatizado. Hoy d&, con el desarrollo de las técnicas de envasa­ do aséptico, es posible esterilizar los alimentos líquidos a tem peraturas muy elevadas, con lo que se ha conseguido aumentar el poder espo- rz id z y disminuir les efectos perjudiciales del calentamiento en las propiedades sensoriales y nutritivas de los alimentos. La utilización de frío industrial es otro de los avances más espectaculares. El uso de hielo pa­ ra transportar pescado fresca era habitual en Gran Bretaña a partir de 1786, pero fue en 1838 cuando comenzó la utilización industrial de filo para |.t conservación de pescado en los barcos, lo que permitió efectuar las capturas en aguas más distantes. En 1867, Reece inventó la prime­ ra unidad de enfriamiento, basada en el ciclo comptesión/expansión de amoniaco, que fue perfeccionada entre los años 1874 y 1876 por Von L'nde, Boyle y Pictet. En 1877, el barco Fri- gorifique transportó con éxito carne fresca con­ gelada desde Buenos Aires a Rouen en 110 días, y duraste 1886,30.000canales de corderos llega­ ron a Londres procedentes de las Islas Malvinas. No cabe duda que la aplicación de temperaturas de congelación supuso un avance adicional. Hoy día es un procedimiento habitual. En el siglo XIX se desarrollaron otros proce­ sos de interés. Cabe citar, por ejemplo, ei que dio lugar a la margarina. Napoleón III ofreció un premio a quien encontrara uu sustituto de la mantequilla; lo ganó Mege-Mouries, quien patentó su procedimiento en 1869. Los cultivos puros para la fabricación de cerveza se introdu­ jeron en los últimos años del siglo XIX, lo que condujo a mejorar la calidad y a la obtención de cervezas normalizadas. La centrífuga de La- val para la separación de la nata de la leche se introdujo en 1877, con lo que se ahorró espacio y mano de obra y se incrementó la eficacia de la separación. E n 183S se patentó on aparato paca la evaporación de leche y en 1860 se desa­ rrolló !a leche condeosada, que muy pronto se aceptó como un alimeato de excelente calidad microbioiógica. Un procedimiento de desbidra- taddn de leche se patentó en G ran Bretaña en 18S5, aunque este producto con una gran cali­ dad no pudo obtenerse hasu casi un siglo des­ pués. Puede decirse, pues, que todos ¡os procedi­ mientos de conservación de alimentos se benefi- c a ró n del desarrcüo de la ciencia a parur de la revolución industrial. El progreso de los méto­ dos de conservación continuó durante el presen­ te siglo, mejorándose enormemente las antiguas técnicas (ahumado, deshidratación, empleo del frío, tratamientos térmicos, uso de conservado­ res. envasado, transpone, etc.), creándose otras nuevas (radiaciones ionizantes, calentamiento dieléctrico, concentración por ósmosis inversa, ultrafiltración, etc.) que han culminado con tecnologías recientes, de las cuales unas se han im puesto rápidam ente (atmósferas modifica­ das o extracción de ciertas sustancias con Sui­ dos supercríticos, como la cafeína) y otras es­ tán aún en fase de experimentación (altas pre­ siones, calentamiento óhm ko, pulsos eléctricos o termomanosonicación). Además, se han da­ do gigantescos pasos en el conocimiento de la composición química de los alimentos, en el es- tabledm iento de las necesidades nutritivas de! hombre, en el conocimiento y la forma de con­ trolar ios agentes causantes de alteración u n to biológicos com o químicos, en la comprensión de los principios físicos que gobiernan los mé­ todos de conservación, en el control de muchos y, en algunos casos, de todos los factores que participan en los procesos de fabricación de los distintos alimentos. En fin, puede decirse que se ha pasado del empirismo al control científi­ co, es decir, la conservación y transformación de los alimentos ha dejado de ser un arte para convertirse en una ciencia. El nacim iento oficial como tal ciencia se considera que tuvo lugar simultáneamente en Estados U nidos y G ran B reufia en 1931. En ese aAo, por una parte, la Universidad de Ore- gón acuñó el término de Tecnología de los Ali­ m entos con m otivo de la introducción de un nuevo curso sobre este tema. Por otra parte, en el mismo año MacLeHan propuso al consejo de la Society o f Chemical Industries (SCI) de In­ glaterra, la creación, bajo el nombre de Society o f the Food Industry, de un nuevo grupo al que se incorporarían los miembros de ts sociedad originai interesados en el problem a de los ali­ mentos; su propuesta fue aceptada y el 11 de diciembre de 1931 se constituyó la nueva aso­ ciación como una ram a de la SCI. La im por­ tancia que adquirid la nueva sociedad fue tal que eo 1937 comenzó a editar sus publicacio­ nes en forma de proceedings aparte de las de la SCI y en el verano de 1948 se celebró en la Low Temperature Research Station (Cam brid­ ge) el primer curso sobre Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Esta iniciativa fue pronto imitada en otros países. La sección canadiense de la SCI creó en noviembre de 1937 una rama dedicada al estu­ dio de ios alim entos que se denom inó Food and Nutrition Group. M ovimientos similares surgieron en Estados Unidos, donde también en 1937 se celebró la prim era reunión sobre problemas de la conservación de alimentos; en la segunda, que tuvo lugar en 1939 en el Mas- sachussets Institute of Technology, se fundó el Institute of Food Technoiogists. Hace unas a n ­ co décadas, los científicos británicos comenza­ ron a utilizar el térm ino Food Science y en 1950, un comité designado entre profesores de la Universidad definió a la Ciencia de los Ali­ mentos como la ciencia que se ocupa del cono­ cimiento áe las propiedades físicas, químicas y biológicas de los alimentos y de los principios nutritivos y a la Tecnología de los A lim entos como ¡a explotación industrial de dichos princi­ pios básicos. E n la actualidad, existen sociedades como tas antes mencionadas en muchos países y los producios de composición compleja que en estado natura!, procesados o cocinados que son consumidos por el hombre para satisfacer sus necesidades nutritivas y complacer las senso­ riales. Los nutrientes son ciertas sustancias con­ tenidas en los alimentos que el organismo utili­ za. transforma e incorpora a sus propios tejidos para cumplir tres ñnes básicos: aportar la ener­ gía necesaria para que se mantenga la integri­ dad y el perfecto funcionamiento de las estruc­ turas corporales, proporcionar los materiales necesarios para la formación de estas estructu­ ras y, por último, suministrar las sustancias ne­ cesarias para regular el metabolismo. Eq los alimentos se encuentran los siguien­ tes nutrientes: a) Carbohidratos, cuya función principal es aportar energía al organismo y que pue­ den convertirse en grasa corporal. b) Grasas, las cuales proporcionan un ma­ yor aporte energético que los carbohi­ dratos y tam bién pueden formar grasa corporal. c) Proteínas, que están compuestas por ami­ noácidos que constituyen los materiales necesarios para el crecimiento y repara­ ción tisular. El organismo puede utilizar­ las también como fuente energética. d) Minerales, que se utilizan para el creci­ miento y reparación tisular y participan en la regulación de ciertos procesos bio­ lógicos del organismo. e) Vitaminas, que también intervienen en la regulación de procesos biológicos del or­ ganismo. A unque el agua y el oxigeno del aire son esenciales para la vida, normalmente no se consideran como nutrientes. Casi ningún aiimento está constituido por un solo nutriente. La mayoría son mezclas complejas, compuestas mayoritariamente por carbohidratos, grasa y proteínas. Las vitaminas y los minerales están presentes en pequeñas cantidades. La definición de alimento comprende, ade­ más de! térm ino nutriente, otro tam bién de gran importancia: el sensorial. El valor senso­ rial de un alimento es más difícil de concretar porque la definición del mismo debe tener en cuenta todas ¡as propiedades de los alimentos (atractivo visual, olor,, sabor y textura) que in- teraccionan con los sentidos, las cuales están moduladas por un gran número de compuestos que, en parte, todavía no se han identificado y dependen estrechamente de las peculiaridades fisicoquímicas y psíquicas del organismo. 1.3. Concepto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos Son muchas las definiciones que se han acu­ ñado sobre Ciencia y Tecnología de los A li­ mentos. Unas son muy simples como la ciencia que se ocupa del estudio de los alimentos, que aunque por sí misma pueda delimitar ei objeto de esta ciencia, los alimentos, no proporciona un concepto claro de la riqueza de la misma, ni mucho menos es suficiente para poder com ­ prender el sentido de esta disciplina o de las disciplinas que dentro de ella existen. O tras de­ finiciones han tratado de recoger de forma am ­ plia todas las actividades relacionadas con los alimentos e incluso se ha dicho (H aw thorn, 1983) que “en su sentido más genuino comien­ za en el campo y termina en la mesa del come­ dor" y que "los progresos tecnológicos de los alimentos han penetrado en el cam po para ejercer su influencia sobre la propia agricultu­ ra”, justificándose esta opinión ofreciendo un ejemplo acerca de cómo es necesario que para que los guisantes congelados presenten su fres­ cor, color y textura escoger la variedad, p repa­ rar las tierras para este fin y cosecharlos y transportarlos en condiciones óptimas. Final­ mente, otras definiciones han sido ofrecidas por diversas instituciones dedicadas al estudio de los alimentos que se han ido modificando a medida que han ido progresando las investiga­ ciones científicas y tecnológicas. Dentro de es­ te grupo se ofrece la definición más mcderna, de 1992. que emergió del Institute o! Food Technologists de Estados Unidos, quizás la ins­ titución de mayor prestigio internacional de las que se dedican al estudio y difusión de todas las actividades relacionadas con lo? alimentos. Dice asf: la Ciencia de los Alimentos es Ut disci­ plina que utiliza las ciencias biológicas, físicas, químicas y la ingeniería para el estudio de la na­ turaleza de (os alimentos, las causas de su alte­ ración y los principios en que descansa el proce­ sado de los alimentos, mientras que la Tecnolo­ gía de los Alimentos es (a aplicación de la ciencia de los alimentos para la selección, con­ servación, transformación, envasado, di;:ribu- ción y uso de alimentos nutritivos y seguros. 1.4. Objetivos de la Tecnología de los Alimentos El prim er objetivo, que destaca sobre los demás, de la Tecnología de los Alimentos es io- grar el abastecimiento de alimentos nutritivos y sanos al hom bre que, como animal heterótrofo que es, necesita cubrir sus necesidades energé­ ticas y plásticas mediante el consumo de diver­ sos productos procedentes de los reinos ani­ mal, vegetal y minera!. La gran mayoría de los productos procedentes de los dos primeros rei­ nos son altamente perecederos, en especial los de origen animal, por lo que su vida útil es ex­ trem adam ente corta. Ahora bien, el hombre necesita alimentarse diariamente y un buen nú­ mero de los alimentos que consume se produ­ cen estacionalmente y, con frecuencia, en pun­ tos muy alejados de los lugares de consumo. El abastecim iento regular de los alimentos requie­ re, por lo tanto, el almacenamiento y transpor­ te de los mismos, operaciones que precisan de un cierto tiem po durante el cual los alimentos se hallan expuestos a la acción deletérea de to­ do tipo de agentes alterantes. Es necesario evi­ tar que actúen dichos agentes. Éste es el objeti­ vo prim ordial de la Tecnología de los Alimen­ tos. controlar los agentes alterantes para lograr un aumento suficiente de ia vida útil de ios ali­ mentos que perm ita su alm acenam iento y transpone a los lugares de consumo en un esta­ do nutritivo y sano. La Tecnología de ios Ali­ mentos es pues, en primer lugar, una tecnología de la conservación de los alimentos. A parte de este objetivo principal, existen otros no menos importantes. El hombre es un animal caprichoso en sus costumbres y. por lo tanto, también lo es en cuanto a w alim enta­ ción. Para que acepte un alimento no sólo es ne­ cesario que cubra sus necesidades sino es preci­ so también que le guste, que lo encuentre agra­ dable y, por otra parte, el consumo continuado de un mismo alimento durante un tiempo largo le lleva pronto a rechazarlo por cansancio. Por lo tanto, no se conforma con consumir un nú­ mero reducido de alimentos sino que quiere dis­ poner de una gran variedad, dende pueda esco­ ger. Éste es otro de los objetivos de la Tecnolo­ gía de los Alimentos, la diversificación de tos alimentos para satisfacer esa necesidad psicoló­ gica que ha heredado, probablem ente, de la época en que sólo contaba con sus sentidos para distinguir entre los alimentos beneficiosos y los nocivos y procurarse una dieta completa a tra­ vés de una alimentación variada. Ésta es una fi­ nalidad que tiene muy en cuenta la Industria Alimentaria moderna, de tal forma que algunos de los procesos aplicados a los alimentos están sólo diseñados para conseguir este fin, como es el caso de la amplia variedad de leches fermen­ tadas. en especial yogur, que se encuentran en el mercado (yogur de frutas, con edulcorantes, con aromatizantes, yogur liquido, etc.). Un tercer objetivo de la Tecnología de los A lim entos, que es posible llegue a adquirir gran importancia en el futuro dada la escasez cada vez mayor de alimentos que la humanidad está padeciendo, es el de procurar el máximo aprovechamiento de los recursos nutritivos exis­ tentes en la actualidad en la tierra y buscar otros nuevos a partir de fuentes hasta ahora no utili­ zadas. Cabe mencionar, por ejem plo, la pro­ ducción de alimentos a partir de especies mari­ nas que en la actualidad están infrautilizadas. Finalmente, es asimismo función de la Tec­ nología de los Alim entos la preparación de productos para individuos con necesidades nu­ trid as especiales, como niños, ancianos, diabé­ tico;, etc. I.os diferentes procesos aplicados a los ali­ mentos requieren un conocimiento profundo de la composición química de los alimentos, así como de las propiedades físicas, químicas y funcionales de las sustancias que los compo­ nen. No se puede elaborar un nuevo producto sin saber (a respuesta de los componentes del mismo frente al proceso a que ha de ser some­ tido. no se puede aplicar un tratamiento sin co­ nocer en qué cuantía va a disminuir la acti­ vidad de ciertos principios nutritivos; no se puede tratar un alimento sin conocer qué mo­ dificaciones sensoriales van a producirse. En fin, al control de todos estos fenómenos requie­ re un profundo conocimiento de los aspectos básicos de los mismos. Estos conocimientos son previos a los procesos tecnológicos. De es­ tos aspectos se ocupa la Bioquímica (o Quími­ ca) de los Alimentos, incluida dentro de la Ciencia de los Alimentos. Iguales consideraciones podrían hacerse acerca de la Microbiología de los Alimentos. Esta disciplina constituye la otra base de la Tecnología de los Alimentos; son los microor­ ganismos los principales agentes de alteración y es la destrucción o inactivación de los mis­ mos la meta que pretenden alcanzar muchos de los procesos que se aplican a los alimentos para aum entar su vida útil. Pero no todas las acciones de los microorganismos son deletére­ as, el hombre aprovecha las actividades de al­ gunos para elaborar ciertos productos que, a veces, son muy diferentes de la materia prima de que se partió, tales son el pan, el vino, la cerveza, diversos productos lácteos y embuti­ dos madurados. Se estima que en los países desarrollados más de la mitad de los alimentos que el hom­ bre consume son procesados de una u otra for­ ma. Una industria de tal naturaleza no se ru e ­ de basar en m étodos inspirados en el atte y empirismo, sino que requiere de métodos segu­ ros que proporcionen alimentos estables, agra­ dables y de calidad uniforme. De estos méto­ dos se ocupa la Ingeniería de los Alimentos, que no es más que el estudio de los principios en que se fundamentan las operaciones a que se someten los alimentos desde su llegada a la industria hasta que se libran al mercado. Por último, una de las misiones de la Teleo­ logía de los Alimentos es hacer llegar al co.isu- midor alimentos seguros, exentos de agentes nocivos tanto bióticos como abióticos y con una composición y un valor nutritivo determinado. Para lograr esta meta es necesario que los ali­ mentos se produzcan con la máxima higiene y limpieza, que se utilicen unas buenas prácticas de fabricación y que se ajusten a unas normas. De todas estas cuestiones, su inspección y cuan­ ta legislación hace refereacia a las mismas se ocupa la Higiene e Inspección de los Alimentos. Bibliografía HAWTHORN, J. (1983): Fundamentos de la Cien­ cia de los Alimentos. Acribia. Zaragoza. RESUMEN 1. Los registros arqueológicos muestran que el hom­ bre prehistórico (Mesofítíco/NeoírtieoJ practica­ ba ya el ahumado (con el control del fuego], las fermentaciones (elaboraba pan, cerveza, vino, queso, leches fermentadas, etc.), el salozonodo y la desecación. Más larde, se introdujo el prenso- do (por ejemplo, se fabricaba aceite de oliva) y ya en ios épocas griega y romana existían ver­ daderos tratadas de fabricación de algunas ali­ mentos, como la del queso, descrita en De Re Rustica (Coiumela). Desde el comienzo de b hu­ manidad, pues, se fueron aplicando de forma empírica numerosos métodos de conservación de alimentas hasta el presente siglo, en que el empi­ rismo se transformó en ciencia y tecnología. 2. Los alimentos son productos de composición compleja que, en..estado natural, procesados o cocinados son consumidos por el hombre como fuente de nutrientes, asi como paro su satisfac­ ción sensorial. 3. los nutrientes son ciertos sustancias contenidas en los alimentos que el organismo utiliza, trans­ forma e incorpora a sus propios tejidos pero cumplir tres Unes básicos: el aporte de b ener­ gía necesario para que se mantenga lo integri­ dad y el perfecto funcionamiento de bs estructu­ ras corporales, b provisión de bs materiales ne­ cesarios paro la formación de estes estructures y, par último, el suministro de bs sustancias ne­ cesarias para rogubr el metabolismo. 4, La Ciencia dé las Alimentas es, de acuerdo con el Institute of Food Technofogists la disciplina que utiliza tai ciencias biológicas, físicos, quí­ micas y la ingeniería para el estudio de la naturaleza de los alimentos, las causas de su O Iteración y hs principios en que descansa el procesado de los alimentos y lo Tecnología de los Alimentas es b aplicación de la cientía de los alimentos pora la selección, conservación, trans­ formación, envasado, distribución y uso de ali­ mentos nutritivos y seguros. 5. Los objetivos de b Tecnología de los Alimentos son: aj lograr el abastecimiento de alimentos nu­ tritivos y sanos al hombre, b} diversificar los ali­ mentos pora que el consumidor pueda elegir en­ tre uno omplio variedad, cj procurar el máximo aprovechamiento de los recursos nutritivos del planeta y buscar nuevos fuentes de alimentos y d) preparación de alimentos para individuos con necesidades nutritivas especiales. AGUA En este capitulo se estudian las constantes físicas, la estructura del agua y del hielo y las propiedades disolventes del agua, con el fin de com­ prender las fundones que desempeñan en los alimentos. Por otra parte, se define el concepto de actividad de agua y se analizan las isotermas de sor- ción de agua y su importancia en Tecnología de los Alimentos. 2.1, Introducción En este planeta, el agua es la única sustan­ cia que existe abundantemente en los tres esta­ dos físicos. Además, es el componente mayori- tario de los seres vivos y. por lo tanto, de los alimentos, variando su contenido desde un 60- 70% en la carne hasta un 90-95% en las verdu­ ras. El agua es esencial para la vida por ser: • Portadora de sustancias nutritivas y de productos de desecho. • Altamente reactivq» al tiarpgp, un me: dio donde se realizan las reacciones. • Un estabilizador de las configuraciones biopoltmeras. • Un determinante de las reacciones con otras moléculas. La presencia de agua en cantidades adecua­ das y con una localización definida es impres­ cindible en los alimentos para que tengan una calidad aceptable para el consumidor. Sin em­ bargo, el coatenido en agya de los alimentos hace que éstos sean altamente perecederos, y por ello se requieren métodos efectivos de con­ servación si se pretende almacenar estos pro­ ductos durante largos períodos. Es bien conoci­ do que la extracción del agua por deshidrata- ción o (a transformación al estado sólido (congelación) de un alimento, son métodos muy eficaces para la conservación de los ali­ mentos, aunque altera sus propiedades. Si se pretende conocer el papel que juega el agua en tos alimentos, o en cualquier tipo de material biológico, es necesario primero un es­ tudio de la estructura y propiedades del agua y del hielo. 2.2. Constantes fiskas del agua y del hielo Al com parar las propiedades físicas del agua y del hielo con otras sustancias de masas moleculares similares (CH{, NH,, SH,, etc.) y otros líquidos (mecano!, eianoi, acetona, etc.) se observa que el agua se comporta de una for­ ma totalmente anormal, ya que posee unos va­ lores muy altos, no habitúale:. del punto de fu­ sión (0 °C a 101,3 kPa), del plinto de ebullición (100 °C a 101,3 kPa), de la tensión superficial (0,0756 N ra*1 a 0 °C), de la capacidad caiórffica (4,2177 kJ kg-' K*1 a 0 ®C) y calores de fusión (6,012 kJ mol*1), de vaporización (40,63 kJ cnol’:) y sublimación (50,91 átomo de oxígeno. Se forman así dos enlaces covalentes (2/3 de carácter covalente y 1/3 de carácter iónico). FIGURA 2.1. Modalo esquemático d« una molécula de agua. Mediante análisis espectroscópicos y de ra­ yos X, se han determ inado con precisión los ángulos de valencia y las longitudes. El ángulo de valencia medio para el enlace H -O -H en el agua es de 104,5° que le proporciona una confi­ guración tetraédrica casi perfecta (el ángulo del tetraedro es 109 ° 28’) de los cuatro orbita­ les sp3 posibles del átomo de oxigeno. La expli­ cación oe esta ligera oesviación es que los elec­ trones no com partidos del átomo de oxígeno tienden a repeler a los electrooes pareados. La distancia media entre H-Ó es de 0,096 nm. Esta disposición de los electrones en la molécula de agua le confiere asimetría eléctrica. El átomo de oxigeno electronegativo tiende a atraer los electrones no compartidos del átomo de hidró­ geno. c ! resultado es que cada uno de ios dos átom os de hidrógeno posee una carga local parcial positiva, e¡ átom o de oxigeno, a su vez, posee una carga local parcial negativa. De esta forma, la molécula de agua es un dipoto eléctri­ co. El grado de separación de las cargas positi­ vas y negativas en las moléculas dipolares se expresa por el momento dipolar que constituye una medida de la tendencia de una molécula a orientarse en un campo eléctrico. La naturaleza dipolar de la molécula de agua aislada hace que se produzca una fuerte atracción electrostática entre la carga parcial negativa, situada sobre el átomo de oxigeno de una molécula de agua, y la carga parcial positi­ va situada sobre el átomo de hidrógeno de otra molécula de agua adyacente, dando lugar a en­ laces de hidrógeno. A causa de la ordenación aproximadamente tetraédrica de los electrones en el átomo de oxígeno, cada molécula de agua tiende a establecer enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua vecinas. Eo comparación con los enlaces covalentes, con una energía de enlace (energía necesaria para disociar el enlace) de 335 kJ m o l'\ los enlaces de hidrógeno tienen una energía de enlace mu­ cho más débil (2-40 kJ mol"')- Como los enlaces covalentes de la molécula de agua están localizados sobre dos de los ejes del tetraedro imaginario, estos dos ejes repre­ sentan lineas positivas de fuerza (sitios dado­ res). Pero en el átom o de oxígeno permanecen otro par de orbitales sobre otros dos ejes del tetraedro y representan líneas negativas de fuerza (sitios receptores de enlaces de hidróge­ no). En virtud de estas cuatro líneas de fuerza, cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras cuatro molécu­ las, obteniéndose, como resultado, una estruc­ tura también tetraédrica (figura 22). Debido a que la molécula de agua tiene un número igual de sitios receptores que dadores de puentes de hidrógeoo que permiten una dis­ posición tridimensional, hace que existan unas fuerzas de atracción muy grandes entre las mo­ léculas de agua, sobre todo si se compara con FIGURA 2.2. Configuración tetraédrica de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno. O: Oxígeno; •: hidrógeno. Fuente. Fennemo (1996|. las fuerzas de atracción de otras moléculas pe­ queñas con configuración tetraédrica, tal como el NH}, que tiene tres hidrógenos y sólo un si­ tio receptor, o el FH con un hidrógeno y, por lo tanto, tres sitios receptores. Ambos no tienen igual número de receptores y dadores y. por ello, sólo pueden formar enlaces de hidrógeno en sentido bidimensional y, en consecuencia, un menor número de enlaces de hidrógeno en­ tre sus moléculas que en el agua. La disposición tridimensional de las molé­ culas del agua explica muchas de las propieda­ des anormales que posee; su gran capacidad ca­ lorífica, su alto punto de fusión y de ebullición, su tensión superficial! los altos valores de los calores de fusión, vaporización y sublimación; todos ellos relacionados con la gran cantidad de energía que se necesita para romper los en­ laces de hidrógeno intermoieculares. 2.4. Estructura del hielo y del agua El agua, con sus fuerzas dirigidas en las tres direcciones del espacio y en el sentido de los cuatro ejes de un tetraedro, cristaliza en una es­ tructura abierta de baja densidad. La distancia entre los dos átomos de oxígeno más cercanos es de 0.276 nm y el ángulo que forman tres áto­ mos de oxígeno es ligeramente superior a 109° (muy próximo al ángulo del tetraedro perfecto, 109a 28’). En el hielo, cada molécula de agua se halla unida por enlaces de hidrógeno a exacta­ mente otras cuatro moléculas de agua que se asocian d : tal forma que se obtiene una estruc­ tura hexagonal, que es la combinación de dos planos paralelos muy cercanos con los átomos de oxígeno distribuidos de forma regular Esta disposición constituye una estructura basal. Cuando varias estructuras básales se unen se obtiene la estructura habitual del hielo. El hielo puro no es un sistema estático cons­ tituido sólo por moléculas de agua dispuestas en un orden preciso sino que es un sistema di­ námico porque, al margen de contener en can­ tidades vestigiales ciertos isótopos (deuterio, tritio, ’H, "O , “ O. etc.), que pueden ignorarse en la mayoría de los casos, los cristales de hielo nunca son totalmente perfectos, existiendo de­ fectos de tipo orientacional (causados por dis­ locación de protones) o iónico (formación de HjO* y OH ) que explican la mayor movilidad de los protones en el hielo que en el agua; se cree que están en vibración continua que dis­ minuye al hacerlo la tem peratura, siendo ne­ cesario alcanzar tem peraturas del orden de -183 °C para fijar los átomos de hidrógeno y conseguir un sistema estático. Este estado di­ námico del hielo se ha relacionado con la acti­ vidad de ciertas reacciones que, aunque sea lentamente, siguen progresando en los alimen­ tos bajo congelación. En el hielo cada molécula de agua está unida a otras cuatro moléculas vecinas. En el agua lí­ quida a 0 *C cada molécula de agua se halla uni­ da, en cualquier momento, a otras 3-4 molécu­ las; por otra parte, ix distancia entre dos átomos d i exígese s í superior a !a que se encuentra en el hielo: 0,29 nm a 15 ®C y 0305 om a 83 *C. A partir del calor de fusión del hielo se ha calcu­ lado que cuando éste se funde a 0 *C, sólo se rompen un 15% de los enlaces de hidrógeno existentes en el hiele. El agua líquida puede considerarse, pues, como hielo quebrantado. Entre las moléculas de agua a 100 *C existen todavía fuertes atracciones, como parece indi­ car el elevado calor de vaporización. En reali­ dad. los enlaces de hidrógeno no se disocian to­ talmente hasta que el vapor de agua se calienta por encima de los 600 °C. Entre el agua y el hielo existe, pues, una pe­ queña diferencia en la cantidad de enlaces de hidrógeno establecidos, lo cual puede parecer sorprendente si se compara la rigidez del hielo con la fluidez del agua. La teoría más difundida para dar una explicación aceptable reside en la velocidad con que se establecen y rompen los enlaces de hidrógeno. Aunque en un instante determinado la mayor parte de las moléculas en ei agua líquida están unidas por puentes de hidrógeno, la vida media de cada enlace de hi­ drógeno es sólo de 10~10 a 10~** segundos. La estructura del agua es, por lo tanto, sólo esta­ dística, ya que es el resultado de una media ob­ tenida en el espacio y en el tiempo. Por consi­ guiente, es a la vez fluida y estable. Se ha em­ pleado el término de agrupaciones fluctuantes para designar tos grupos de moléculas de agua, de vida corta y estructura similar a la del hielo, existente en el agua líquida. La velocidad con que se forman y escinden los enlaces de hidrógeno en sistemas acuosos supera, en mucho, a la velocidad de formación y destrucción de la mayoría de los enlaces cova- lentes. Esta característica confiere a los enlaces de hidrógeno una gran ventaja biológica en lo que se refiere a las reacciones biomoleculares. 2 .5 . P ro p ied ad es d iso lven tes del a g u a El agua, por su naturaleza dipolar, disuelve o dispersa muchas sustancias; es un disolvente mucho o e j : r que la mayo: parte de los líqui­ dos corrientes. Muchas sales cristalizadas y otros compuestos iónicos se disuelven con fa­ cilidad en el agua pero son casi insolubles en los líquidos apolares.. tales como el cloroformo o el benceno. Puesto que la red cristalina de las sales, por ejemplo el cloruro sódico, se mantiene unida mediante fuertes atracciones electrostáticas entre iones positivos e iones ne­ gativos alternantes, se necesita de una energía considerable para separar a estos iones unos de otros. El agua disuelve, no obstante, al N aQ cristalizado gracias a las fuertes atraedo- nos electrostáticas entre los dtpoios del agua y tos iones Na* y Q* que forman los iones hidra­ tados correspondientes, muy estables, y supe­ ran con ello la tendencia de los iones Na* y Cl* a atraerse mutuamente. La ¿olvatación iónica se ve favorecida tam­ bién por la tendencia del disolvente a oponerse a la atracción electrostática entre los iones po­ sitivos y negat:.”üs que viene expresada por la constante dieléctrica D, definida por la fórmula: F * e^JD r1 donde: F = fuerza de atracción entre dos iones de carga opuesta. e, y «j = las cargas de los iones. r = distancia entre los iones. El agua posee una constante dieléctrica muy elevada, comparada con la de disolventes orgá­ nicos (agua 80; metano! 33; etanol 24; acetona 21,4; benceno 23 ; hexano 1.9). Las fuerzas de atracción en el agua existentes entre los iones Na* y C t, por ejemplo a una determinada dis­ tancia, son sólo un catorceavo de la que mostra­ rían en el benceno; es un factor que favorece la hidratación de los iones y la desorganización de la red cristalina. Otro tipo de sustancias que se disuelven en el agua con facilidad son los compuestos no ió­ nicos pero de carácter polar, tales como ios azúcares, alcoholes sencillos, aldehidos y ceto- ñas. Su solubilidad se debe a la tendencia de FIGURA 2.3. Micelo de oleoto sódico. •: grupos carboxilo. /w \: grupos apolares. las moléculas do agua a establecer salaces de hidrógeno con los azúcares y alcoholes y el áto­ mo de oxígeno del grupo carbón;'o de los alde­ hidos y las cetonas. 2.6. Interacciones dei agua con sustancias apolares El agua también dispersa muchos compues­ tos que contienen grupos apolares o hidrófo­ bos formando micelas, siempre que tales com­ puestos posean también grupos fuertem ente polares. Este tipo de interacción resulta posible por el establecimiento de enlaces de hidrógeno que, en este caso, no se establecen entre las moléculas del soluto y del disolvente, sino en­ tre las moléculas del disolvente. Los compues­ tos que contienen grupos muy nidrófobos y grupos fuertem ente polares simultáneamente se denominan anfipádcos. Las biomoléculas antipáticas más corrientes que tienden a formar micelas son áridos grasos y lípidos polares. También, en la mayor parte de las proteínas alrededor del 40% del total de ami­ noácidos tienen cadenas laterales no polares, tal como el grupo metilo de la alanina, el isopropilo de la valina, el tnercaptometilo de la cisterna, el metilo e isobutilo de las leucinas, etc. Un ejemplo sencillo de interacción hidrófo­ ba es la sal sódica del ácido oleico (figura 2.3). El oleato sódico tiene muy poca tendencia a disolverse en el agua en forma de una disolu­ ción molecular verdadera ya que su larga cade­ na hidrocarbonada es intrínsecamente tnsolu- ble en el agua. Sin embargo, se dispersa en el agua con facilidad, formándose micelas en las que los grupos carboxilo negativamente carga­ dos se hallan expuestos a la fase acuosa y los grupos apolares permanecen ocultos dentro de la estructura micelar. Tales micelas poseen una carga negativa neta y permanecen en suspen­ sión debido a su mutua repulsióa. Las micelas pueden contener centenares y aún millares de moléculas de la sustancia antipá­ tica. La localización interna característica de los grupos apolares en las micelas es el resultado de la tendencia de las moléculas de agua a adoptar el estado de máxima libertad (entropía). En di­ cho estado el agua posee una cohesión interna enorme a causa de los enlaces de hidrógeno. La inserción de una estructura no polar, como una cadena hidrocarbonada, en el agua necesita de energía puesto que las moléculas de agua que la rodean se verán forzadas a adoptar una ordena­ ción más regular, que posea menos entropía o li­ bertad que el agua pura. Es decir, las micelas se forman porque el agua tiene más afinidad por sus propias estructuras que por las no polares. E n el interior de las micelas existen fuerzas de atracción adicionales entre las estructuras hi- drocarbonadas adyacentes, manifestadas por las intenciones de Van der Waalls. Por no existir un enlace estequiométrico verdadero entre los gru­ pos no polares de una micela es más apropiado em plear el término de interacción hidrófoba que el de enlace hidrófobo para referirse a la asociación de las porciones hidrófobas de las moléculas antipáticas. En comparación con los enlaces de hidrógeno, las interacciones hidrófo­ bas poseen poco carácter direcdonal pero tien­ den a producir sistemas de elevada estabilidad. 2.7. Efecto de los solutos en te estructura del agua La presencia de un soluto iónico, como el NaCI, origina un cambio en el agua líquida, ya que cada uno de los iones Na* y Q* se halla ro­ deado de una capa de dipolos de agua. Estos iones hidratados poseen una geometría algo di­ ferente a la de las agrupaciones de moléculas de agua pura unidas por enlaces de hidrógeno. Las distancias interíónicas medias en disolucio­ nes acuosas de un soluto disminuyen a medida que aum enta la concentración del soluto. En el N aC , por ejemplo, cuando su concentración es de 0.15 M (concentración aproximada en el plasma sanguíneo), los iones Na* y Cl~ se ha­ llan separados 1,9 nm. Puesto que cada ión Na* y Cl* hidratado posee un diámetro de 0 3 a 0,7 nm, y un agrupamiento tetraédríco de cin­ co moléculas de agua que tiene un diámetro de aproximadamente 0,5 nm, está claro que debe haber un cambio considerable en la estructura tridimensional y en las propiedades del agua lí­ quida cuando se disuelve N aQ en ella. Las sa­ les rompen la estructura del agua. El efecto de un soluto en el disolvente se manifiesta también en las propiedades coligad- vas (presión osmótica, punto de ebullición, punto de congelación, presión de vapor, etc.) de las disoluciones, las cuales dependen del nú­ mero de partículas del soluto por unidad de vo­ lumen del disolvente. Los solutos producen efectos característicos en el disolvente tales co­ mo el descenso del punto de congelación, la elevación del punto de ebullición y la disminu­ ción de la presión de vapor. Confieren también a la disolución la propiedad de la presión os­ mótica. 2.8. Efecto de los solutos en la estructura del hielo La cantidad y la clase de soluto influye en el tam año, estructura, localización y orienta­ ción de los cristales del hielo. Se han realizado varios estudios sobre !• sa tu ra le a de los cris­ tales de hielo en presencia de distintos solutos (¿hcerol, geiatm a, albúmina, ciicsm a, etc.). Con estos solutos se forman cuatro tipos de es­ tructura principalmente: formas hexagonales, dendritas irregulares, esférulas toscas y esféru­ las evanescentes. No obstante, también pue­ den formarse una gran variedad de tipos inter­ medios. La forma hexagonal es la nonral, con una ordenación más perfecta; parece ser que se da en las muestras que se congelan a una tempera­ tura m oderadam ente baja (no en la congela­ ción rápida). La forma hexagonal ea reproduci- ble con todos los solutos anteriormente citados excepto con la gelatina. Con este soluto la es­ tructura del hielo posee un desorden mayor que en la forma hexagonal. Las diseluciones de gelatina forman cristales de hielo cúbicos o vi­ treos que llegan a ser más abundantes a medi­ da que se incrementa la velocidad de congela­ ción o la concentración de gelatina. Aparente­ mente la gelatina, que es una molécula de gran tamaño, compleja e hidrófita, puede restringir el movimiento de las moléculas de agua y la fa­ cultad que tienen para formar estructuras he­ xagonales. En general, puede decirse que aunque se pueden formar estructuras diferentes a la hexa­ gonal en los alimentos y material biológico, no son habituales. 2.9. Actividad da agua El agua es, probablemente, el factor indivi­ dual que más influye en la alterabilidad de los alimentos. Por o tra parte, está perfectamente demostrado que alimentos cor. el miimo conte­ nido en agua se alteran de forma distinta, de lo que se deduce claramente que la cantidad de agua por sí sola no es un fiel indicativo de de­ terioro de los alimentos. Corno consecuencia de este hecho, surgió el concepto de actividad de agua ( a j , que ha sido muy valorad!} en estu­ dios sobre alteraciones de alimentos por estar directamente relacionado con el crecimiento y actividad metabóiica de los microorganismos y con las reacciones hidrolíticas. La utilidad de la aw ha sido, a veces, deva­ luada debido a que no siempre se puede prede­ cir totalm ente el crecimiento microbiano, ya que la respuesta de los microorganismos es di­ ferente dependiendo del soluto que sea res­ ponsable del valor de am. Sin embargo, en tér­ minos generales puede decirse que gracias a es­ te concepto se puede calcular la estabilidad de muchos alimentos, m ejorar procesos de con­ centración y deshidratación de alimentos e, in­ cluso, diseñar nuevos productos más estables. El término de aw indica la intensidad de las fuerzas que unen el agua con ovos componen­ tes no acuosos y, en consecuencia, el agua dis­ ponible para el crecimiento de microorganis­ mos y para que se puedan llevar a cabo dife­ rentes reacciones químicas y bioquímicas. Cuando se añade un soluto al agua pura, las moléculas de agua se orientan en la superficie del soluto y se ¡nterrelacionan con él. Como consecuencia, disminuye e! punto de congela­ ción, aumenta el punto de ebullición y disminu­ ye la presión de vapor según la ley de Raoult que dice: “la disminución relativa de la presión de vapor de un líquido al disolverse en él un so­ luto es igual a la fracción molar del solvente”. La expresión matemática de la ley de Raoult es: PIPo - nj/n, + donde: P * presión de vapor de la solución. Po = presión de vapor del agua pura. n, = motes de soluto. fij a moles de solvente. La actividad de agua se define como la rela­ ción existente entre la presión de vapor de una solución o de un alimento (/*) con respecto a la presión de vapor del agua pura (Po), a la mis­ ma temperatura. o ~ PIPo El agua presente en los alimentos ejerce, por lo tanto, una presión de vapor que depen­ de de la cantidad de agua, de la concentración de solutos en el agua y de la temperatura. Evidentemente, si no hay solutos, como es el caso del agua pura, la relación enve las pre­ siones es la unidad; en consecuencia, la aw de todos los alimentos es siempre inferior a uno. Este descenso se explica porque los constitu­ yentes químicos que están presentes inmovili­ zan parcialmente el agua, con lo que disminuye su capacidad de vaporización y su reactividad química. En realidad, la es la relación entre la fu­ gacidad del disolvente en la disolución (f) res­ pecto a la fugacidad del disolvente puro (/j), entendiendo por fugacidad la tendencia que presenta un disolvente a escapar de una solu­ ción. Sin embargo, a bajas presiones, como es la presión ambiental, la diferencia entre la fu­ gacidad y la presión de vapor es tan pequeña (inferior a 1%) que normalmente se habla de presiones. Sería, por lo tanto, más correcto ex­ presarlo como: -P fo - PIPo Dado que lo que se mide realmente son las presiones y a veces no coincide totalmente con la a„, algunos autores han indicado que sería más razonable utilizar el término presión de va­ por relativa (PIPo). Sin embargo, dado lo ex­ tendido que está el término de aw en la comu­ nidad científica y la poca diferencia que repre­ senta, en este iibro se ha preferido utilizar dicho término. La aw de un alimento y la humedad relativa del ambiente en el que se encuentra tienden siempre a equilibrarse, por lo que a menudo, se expresa como humedad relativa de equilibrio (% )(H RE): aw = HREA 00 La relación entre aw y el contenido en hu­ medad de un alimento viene determinado por la ecuación BET (Brimausr, Err.mett, Teller): aJM (1 e„ ( C - sy j í jC donde: M * humedad del producto (g/100 g de mi* tena s e a ) . Mj * contenido en agua correspondiente a la a p a monomolectilar (g/lQO g de materia se* a ) . C * constante relacionada con el calor de adsorción del agua retenida. El valor de la capa monomolecular, denomi­ nada monocapa BET, representa el contenido de humedad al cual el alimeoto es más estable. A contenidos más bajos, puede haber oxida* eidn lipidio, mientras que a contenidos mayo* res pueden existir actividades enzim átias, no enzimáticas y microbianas. Realm ente, la ecuación B ET no permite ofrecer resultados precisos en todo el intervalo de actividad de agua de uo alimento, debido fundamentalmente a que los tratamientos apli­ cados • los alimentos durante su elaboración pueden alterar las propiedades de sordón de agua de sus constituyentes. Además, durante la adsorción de agua, los componentes de los ali­ mentos pueden experimentar cambios en su es­ tructura, constitución, etc. La ecuación BET sólo se confirma experimentalmente a valores de am comprendidos entre 0,05 y 0,40. Existen otras ecuaciones que también rela- donan estos dos parámetros; todas ellas pue­ den reproducir con cierto éxito los datos de hu­ medad en equilibrio pero ninguna propordona resultados para un alimento en todo el interva­ lo de am. Como se ha ind iado , cuando se define la ac­ tividad de agua es necesario especificar la temperatura ya que estos valores son tempera­ tura dependientes. A medida que ésta aumen­ ta, lo h ice la aw porque aumenta la presión de vapor. Si se representa la aw de un alimento con un contenido de agua constante, respecto a ta tem peratura se obtiene una línea recta, (figura 2.4) pero sólo en un intervalo de tem­ peratura. 1.00 — 0.95 / Punto ** / 0,90 W"*-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Tamparatum fC) ñGUKA 2.4. ftapraMffloeión asquamótíeo de la rela­ ción entre actividad de aguo y temperatura de una muestra determinada. Cuando el alimento se aproxima al punto de congelación aumenta la pendiente de la recta, lo que indica claramente que la influencia de la temperatura en la am es mucho mayor a tem­ peraturas de congelación e inferiores. Cuando un alimento se congela se van formando crista­ les de hielo práctiam ente puro, mientras que los solutos migran a la fase líquida donde se concentran cada vez más. Por lo tanto, la am de los alimentos congelados, es decir, en presencia de hielo, depende fundam entalmente de la temperatura y no influye el tipo de solutos que se encuentran presentes. Por el contrario, en los alimentos no congelados depende sobre to­ do de la composición y, en menor medida, de la temperatura. E n consecuencia, la información que aporta este valor en los alimentos a tem­ peraturas subcrioscópicas es mucho menor puesto que no está relacionada con la presen­ cia de solutos. Además, hay que añadir que el valor de ta aw de los alimentos congelados es menos indicativo de alterabilidad, ya que las temperaturas de congelación influyen por sí so­ las en la viabilidad de los microorganismos y en las reacciones químicas y bioquímicas. 2 .1 0 . Iso te rm as de soreión d e a g u a Las isotermas de sorridn de agua son gráfi­ cas que relacionan el contenido en agua de un alimento con su actividad de agua, o lo que es lo mismo, en función de la humedad relativa de la atmósfera que rodea al alimento, una vez al­ canzado el equilibrio y a una tem peratura constante (figura 2.3). La gráfica predice claramente que ligeras variaciones en la humedad de un alimento con un alto contenido en agua influye muy poco en su aw. Sin embargo, a contenidos de agua más bajos, lo hace de una forma significativa. Aumentando la escala (figura 2.6) se puede ver lo que ocurre en alimentos muy secos: peque­ ñas variaciones en la humedad provocan gran­ des cambios en la aw. La mayoría de las isotermas de soreión de agua de los alimentos presentan una forma sig­ moidea con pequeñas variaciones según la es­ tructura física, composición química, tem pe­ ratura y capacidad de retención de agua del alimento. Sin embargo, hay alimentos que pre­ sentan en la primera parte de la curva una zona ' más plana estas curvas, en forma de J, son típi­ cas de alimentos con un gran contenido en azú­ car y solutos, que presentan poca adsorción por capilaridad, como las frutas y confituras. E n las isotermas de scrción de agua se pue­ den distinguir tres zonas poco delimitadas que indican la forma en que el agua se encuentra li­ gada a los alimentos (figura 2.6): • Zona a). Es el agua más fuertemente li­ gada y menos móvil. Se corresponde con el agua de la capa monomolecular fija a los grupos polares de ciertos com pues­ tos, especialmente a N'H3* y COO* de las proteínas y a los grupos OH - de los almi­ dones, así como a l agua de cristalización de azúcares y sales. Es muy difícil ex­ traer, no es congelable y no se encuentra disponible para actuar como disolvente o reactivo. Constituye una cantidad muy pequeña del agua total de un alimento y corresponde a una a , inferior a 0,2-0,3. El límite entre las zonas A y B es la de­ nominada monocapa BET. • Zona bf. Comprende el agua correspon­ diente a las capas de hidratación de los constituyentes solubles, es decir, proteí­ nas, sales, azúcares, etc. Está ligada por puentes de hidrógeno e interacciones di- polo-dipolo o retenida físicamente en mi- crocapilares de diámetro inferior a 1 pm. El punto de congelación y la capacidad solvente se encuentran muy reducidos. Figura 2.3. Isoterma general de soreión de agua en un olimento. FCURA 2.Ó. Isoterma de soreión de agua de un alimento con bajo contenido en agua. La aw está comprendida entre 0,20-0,30 y 0,80, aproximadamente. Zona c). Representa la mayor parte del agua de los tejidos Oreseos. Es :1 agua me­ nos ligada y más móvil de los alimentos aunque el punto de congelación está algo disminuido. Se encuentra retenida física­ mente en membranas, capilares (diáme­ tro superior a 1 pm), geles, etc., por lo que se puede eliminar fácilmente por di­ versos procedimientos. Su retención está determinada por el pH y las fuerzas ióni­ cas. Es ta responsable de la alteración de los alimentos ya que está disponible para el desarrollo de microorganismos y las reacciones químicas. Equivale a una aw de 0,80-0,99. Al representar las isotermas de soreión de agua de un alimento es necesario indicar a la temperatura que han sido construidas. Lógica­ mente, si la am es dependiente de la temperatu­ ra, ésta influirá tam bién en las isoterm as de soreión (figura 2.7). Esta dependencia sólo es FIGURA 2.7. Efecto de la temperatura en la isoterma de soreión de agua. importante a valores de aw inferiores a 0.4-0 J . En la figura se observa que para un mismo contenido en agua, la am aumenta a medida que lo hace la temperatura. Si se sitúa un alimento en un ambiente con una humedad relativa (HR) superior a la hume­ dad relativa de equilibrio (HRE) det alimento, éste fijará vapor de agua tendiendo a alcanzar el equilibrio, es decir, adsorberá agua. Si, por el contrario, el alimento se coloca en un ambiente cuya HR sea inferior a la HRE correspondiente al contenido de agua del producto, éste cederá agua mediante el proceso llamado desorción. En general, la isoterma de adsorción para un producto determinado no es superponible a la isoterma de desorción. Esta falta de coinciden­ cia de las dos gráficas se conoce como histire• sis de las isotermas de soreión de agua y se de­ tecta sobre todo en la zona intermedia de las gráficas (figura 2.8). La magnitud de la histére- sis es variable y depende de diferentes factores como son la naturaleza de! alimento, los cam­ bios físicos ocurridos cuando se añade o elimi­ na agua, el grado de desorción, la cantidad de agua eliminada durante la desorción y la tem­ peratura (a medida que disminuye se hace más evidente). Los alimentos con una au determinada, a una temperatura constante, siempre presentan mayor contenido de agua durante la desorción que en la adsorción. Los principales argumentos que se han ofre­ cido para explicar este fenómeno no totalmen­ te aclarado son: a) Durante la desorción el alimento des- prende agua que estaba más o menos li­ gada, es decir, agua que no está totalmen­ te libre. Sin embargo, en la adsorción el agua captada no tiene o nene menos pun­ tos a los que unirse debido a las interac­ ciones de los constituyentes no acuosos durante la desorción, por lo que el agua se encuentra más libre. Con el mismo contenido en agua hay más agua libre en la adsorción o, lo que es lo mismo, la acti­ vidad de agua es mayor en la adsorción. b) E l alimento retiene agua dentro de los capilares-, durante la adsorción, el agua captada tiene más dificultad para entrar ya que la 'presión de vapor de agua que se necesita para que penetre en ios capi­ lares es mayor que para que salga, por lo que con el mismo contenido en humedad en la adsorción hay más cantidad de agua fuera de los capilares y en la desor­ ción dentro de ellos. Además, durante la desecación, los capilares se pueden obs-> F:GUSA 2.3. Hiiléreiis de leí ¡solemos de soreión de c juo . tru ir y disminuir el diám etro interior. También influye la viscosidad del pro­ ducto, que es mayor en la adsorción que durante la desorción, debido al menor contenido en agua. Este fenómeno es de especial importancia en aquellos productos deshidratados que nece­ sitan ser rehidratados para su comercialización. Presentarán una actividad de agua ligeramente superior a la esperada con el consiguiente peli­ gro de deterioro. Igualmente, es necesario te­ nerlo en cuenta en los alimentos envasados que sean muy higroscópicos. 2.11. Aplicación de las isotermas de sorción en Tecnología de los Alimentos Las isotermas de sorción de agua de los ali­ mentos son de gran utilidad en diferentes as­ pectos: 1. Permiten evaluar la estabilidad de los ali­ mentos. La disminución de ia aw frena el crecimiento de los microorganismos (en este orden: bacterias, levaduras y mohos) de tal forma que se detiene totalmente a valores de 0,6 o inferiores. Igualmente, la velocidad de las reacciones químicas que tienen lugar en un alimento, tanto enzi­ máticas como no enzimáticas, está en función de la cantidad de agua disponi­ ble. A medida que disminuye la aw, la ve­ locidad de reacción se va haciendo más lenta. A valores comprendidos entre 0,2- 0,3 cesan completamente. La excepción la constituye la oxidación lipídica, que es mínima a estos valores pero aumenta a medida que sigue descendiendo la aw Por tanto, la máxima estabilidad de los ali­ mentos se da en estos valores. El efecto de la aw en la viabilidad de los microorga­ nismos y las reacciones de deterioro se explica con detalle en el capítulo 11. 2. Petmiicn prever ia au de mezclas de di­ versos ingredientes. Siempre existe un intercambio de agua de un componente a otro de un alimento para llegar al equi­ librio. Las isotermas permiten conocer la aw de los componentes de la mezcla y, en consecuencia, la estabilidad de cada uno de ellos y, por lo tanto, de la mezcla 3. Permiten estimar el tiempo máximo de almacenamiento de un producto en un envase, con una permeabilidad ai vapor de agua conocida, en función de la canti­ dad de agua adsorbida. Igualmente, se puede establecer el comportamiento de un alimento en distintas condiciones de almacenamiento. 4. Perm iten mejorar los procesos de con­ servación basados en la reducción del contenido en agua puesto que mediante tas isotermas de sorción podemos deter­ minar cuál es el contenido de humedad residual óptima para un alimento deter­ minado. Si la humedad es demasiado elevada el producto presentará menor estabilidad, mientras que si la humedad final es muy baja representa un gasto adicional en la operación. La facilidad o dificultad para eliminar agua de un ali­ mento está relacionada con la am. 5. Permiten determinar la temperatura óp­ tima de almacenamiento de productos congelados, estableciendo una relación entre ésta y la aw. La inmovilización del agua en forma de hielo y el consiguiente aumento de la concentración de solutos en el agua no congelada disminuye la ac­ tividad de agua del alimento. B ibliografía BELTTZ, a D. y GROSCH, W. (1997): Química de tos Alimentos. 2.* ed. Aoribia. Zaragoza. CHEFTEL, J. C y CHEFTEL, a (1980): Introduc­ ción a te Bioquímica y Tecnología de ios Alimen­ tos. VoL 1. Acribia. Zaragoza. 1. El aguo u la sustancia más abundante an los tetes vivos y, por tu Santo, «a ¡os ollmanto». toa propladodes Uticos del aguo y del hielo ton muy anómalos en comparadón con las do otros sus­ to netos de masa maleador similar, y derivan de los fuertes interacciones moleculares entre Ir» moléculas de agua. 2. En estado liquido, las moléculas de agua origi­ nan tetraedros unidos por enlaces de hidrógeno que se formón y destruyen a gran velocidad, la diferencia «ñire la estructuro dé) agua y del hieio se debe a lo velocidad de formoción y destruc­ ción de estos enlaces más que a la cantidad de los que se establecen. 3. lo capacidad de establecer enlaces de hidróge­ no y fo polaridad de la molécula de agua hocen de elfo un gran disolvente tonto pora compuesto» iónicos como no iónicos de carácter palor. El ogua dispersa también moléculas antipáticos, formando aricólas que son ognipaáanes de moléculas en los que los grupos hidrófobos per­ manecen ocultos en la estructuro micelar y loe ü N N cM A , G. R. (159Ó): Food Chemisay. 3.* ed> Marcel Dekfcer, Inc. Nueva York. MAN, í . M. de (1990): Principies o f Food Chemistry. Van Nostrand Reinhold. Nueva York. grupos polares se hadan expuestos o lo fose acuoso. 4. El contenido de ogua de los alimentos es uno de los factores individuóles que más influye en su alterabilidad, aunque alimentos con el mismo contenido en ogua pueden sufrir un procera de alteración diferente. 5. lo actividad de agua se define como lo relación entre lo presión de vapor de un producto y lo pr» sión de vapor del ogua pura, o lo mismo tempera­ tura. lo actividad de ogua determino el aguo que en un determinado alimenta se encuentra disponi­ ble pora el crecimiento microbiana y el progreso de diferentes reacciones químicos y bioquímicos. ó. las isotermas de soreión de aguo son gráficas que relacionan, a uno temperatura constante, el contenida en ogua de un alimento con su activi­ dad de aguo, uno vez'alconzado el equilibrio; son propios de cada grupo de alimentos y per­ miten estimar lo estabilidad de un producto fren­ te a ios diversos agentes alterantes. RESUMEN LIPIDOS En d presente capítulo se analizan (as principales propiedades de los lípidos de ios alimento», sobre todo ias físicas por ser tas que adquieren más importancia en la utilización e industrialización de ias grasas. Asimis­ mo, se estudian los tratamientos utilizados para su transformación, final­ mente, se describen ias principales alteraciones de ios ((pidos que afectan a los alimentos, específicamente el enrandamicnto autooxidativo y ta hi­ drólisis enzlmática. 3.1. Introducción Los Upidos son uno de los principios inmedia­ tos mis importantes de los alimentes debido a: a) Su abundancia en gran número ce ali­ mentos. muchos de ellos de un gran inte­ rés económico como la leche, mantequi­ lla, margarina y embutidos. b) Su importancia nutritiva, ya que consti­ tuyen el principal aporte energético de la d ie u pues facilitan 37,7 kJ, es decir, aproximadamente ei doble de la energía que proporcionan las proteínas y los hi­ dratos de carbono; en el mundo occiden­ tal se considera que cubren al menos el 45% de las necesidades energéticas Son, además, vehículo de vitaminas liposolu- bles (A, E, D y K) y ácidos grasos insatu- rados esenciales; contribuyen a mejorar el gusto y la sensación de saciedad des­ pués de comer. c) Ejercen una importante función en la es­ tructura, composición y permeabilidad de las membranas y paredes celulares. Son los componentes mayoritarios del tejido adiposo que sirve de aislamiento al organismo y como protección a los ór­ ganos internos contribuyendo, asimismo, a la configuración del cuerpo. d) Por razones tecnológicas: * En algunos alimentos se encuentran form ando emulsiones. En algunos procesos hay que mantenerlos, en otros eliminarlos y. a veces, hay que modificarlos y estabilizarlos. * Entre los componentes de este grupo de principios inmediatos, existen al­ gunos compuestos que por su natura­ leza anfifílica constituyen magníficos estabilizantes. * Son susceptibles a fenómenos de dete­ rioro (enranciamiento y lipolisis) que provocan alteraciones en las caracte­ rísticas sensoriales de ios alimentos. • Son susceptibles a procesos de trics- formación estructural que, al cambiar sus propiedades fisicoquímicas, los hacen m is aptos para determ inadas aplicaciones. • Desempeñan im portantes papeles tecnológicos: etnulsificantes, texturi- zantes, saborizantes, humectantes, transmisión de calor a alta tem peratu­ ra, etc. El contenido graso de los alimentos varía desde valores muy bajos a muy altos tanto en alimentos de ongen animal como vegetal (cua­ dro 3.1). ClMOtO 3 .1. Cantonado grato optoju'modo da alguno» alim«nlo«. Produelo G rato (X ) Etpórrogo 0,25 Arroz 1,4 Nnoz 58 Coco 34 Cocohuoto 49 G ira tal 28 Ucha 3,5 Mon toqu>Ha 80 Quato Ir» ico H .8 Quato parmatono 26 Carne do vacuno 6 Cornada polo 2.2 Coma da cardo 7 Jomón tartaño 13 Jamón cocido 6 Maduro u Sardina 13 longo «ano 2 MajiBón 1.3 La primera dificultad con la que se tropieza en su estudio es su definición; la más sencilla los considera como sustancias solubles en éter, cloroformo y dem is disolventes de las grasas, pero escasamente solubles en agua y que con las proteínas y ios hidratos de carbono consti­ tuyen las estructuras celulares. Si es difícil su d e fb id án más aún lo es su clasificación, dado el amplio grupo de sustan­ cias heterogéneas que se pueden incluir bajo esta definición. La clasificación más generaliza­ da distingue dos grandes grupos: a) Lfpidos apotares o neutros. b) Lfpidos polares. Los Upidos apotares o neutros son ásteres de ácidos grasos con alcoholes y se incluyen en es­ te grupo los glicéridos, ceras, carotenoides, ter- penoides y esferoides. Los Upidos polares son sustancias que ade­ más del enlace áster de la unión del ácido graso y el alcohol poseen otras funciones químicas. Pertenecen a este grupo los fósfolípidos, cere- brósidos y otros lípidos complejos como ios es- fiqgolípidos. 3.2. Ácidos grasos de los alimentos Salvo muy raras excepciones, los lípidos de los alimentos presentan mayoriiariamente áci­ dos grasos de cadena lineal y número par de átomos de carbono. Sin embargo, tanto en gra­ sas naturales como en grasas procesadas pueden presentarse en pequeñas cantidades ácidos gra­ sos de cadena ramificada, de número impar de átomos de carbono, ácidos grasos con triples en­ laces e hidroxiácidos. Es frecuente dividir los ácidos grasos en dos grupos, saturados e insaturados; esta división es muy utilizada en Tecnología de los Alimen­ tos ya que la diferencia que existe en el punto de fusión de unos y otros condiciona de mane­ ra im portante las propiedades físicas de una grasa o un aceite. En los ácidos grasos insatura- dos, el doble enlace se presenta generalmente en posición eis. O tra división muy frecuente es la relativa a la longitud de la cadena: corta, me­ dia o larga, si bien esta clasificación no es tan umversalmente aceptada como la anterior. Ge­ neralmente, se considera cadena corta a un nú­ mero de átomos de carbono entre 4 y 10, cade­ na media entre 12 y 14 y cadena larga a más de 16 carbonos. 3 .2 .1. Acidos grasos saturados de cadena lineal En los alimentos aparecen ácidos grasos sa­ turados con menos de 24 átom os de carbono, siendo más frecuentes los que poseen entre 12 y 24 carbonos (cuadro 3.2). CuaO íO 3.2. principólo» ácido» grato» tomrodo» proioniot on lo» o&momot. Nombra »i «somático Nombra común Alomo» do cotbono Punto do Fuiián fC | Punto do obuIScián (“CJ mSutonosco Urico A -3.3 146 mPentonoke t/-l; u_TQWICO 5 -36.3 186 •Uuanaits Capraico 6 -3.2 204 nNoptomaeo Enámico 7 -7.5 223 (vOctanoico Capriftco S 14.3 260 mNonanowo Palargúnico 9 12,3 236 nOocanoico Cúprico 10 31,6 271 nOodocanoico táurico 12 64,8 130 rvTotrodoconoico MI riuico M 36.4 149 nótaxodoconoico PolflÚtiCO 16 62.9 167 itHoptadoconoico Mcugúiico 17 61,8 173 nOctodocanoico Esteárico 18 70.1 184 mEicotanoico Aroqwdico 20 74.1 204 nOocotonoico BoMnico 22 80 n-Totraicjirvoiso U y.síi-Ícs 2 i S4.2 Los ácidos grasos saturados más- frecuentes son el liurico (012:0), miristico (014.-0), pal- raitico (O lá :0 ) y esteárico (018:0). El ácido táurico constituye el 4S-S0% del aceite de caco y el 45-50% del aceite de palma; el ácido miris­ tico participa en un 15-18% en ambos aceites. El ácido palmitico se encuentra en el aceite de algodón (22-28%), de palma (35-40%) y en cantidades variables en otras grasas; así, en tas grasas de origen animal oscila entre el 25-30% y en los aceites de pescado llega al 15-20%. Debido a la intensa hidrogenación en el tracto intestinal de los rumiantes, ios ácidos insatura- dos de 18 átomos de carbono se transforman en ácido esteárico que llega a constituir el 30% de los ácidos grasos de los depósitos grasos de es­ tos mamíferos. Los ácidos grasos de número impar de áto­ mos de carbono aparecen en pequeñas canti­ dades en grasas animales (C-I a C-23), aceites de pescado (C-13 a C-19) o en grasas vegetales (C-9 a C-23) nó superando en ningún caso el 1-2% del tota! de la grasa. 3.2.2. Ácidos grasos insaturados de cadena lineal A dem ás de por el número de átomos de carbono, los ácidos grasos insaturados se dife­ rencian por el número, localización, configura­ ción y conjugación de sus dobles enlaces. En los alimentos, el número de insaturadones no supera el de seis y normalmente no están con­ jugadas, es decir, entre dos dobles enlaces exis­ te, al menos, un grupo metileno (-CH,)- La lo­ calización del doble enlace en e! carbono 9 en la forma cis es la más frecuente. Los ácidos ti- noleico, linolénico y araquidónico son ejem ­ plos de componentes habituales de las grasas de los alimentos (cuadro 3.3). Los ácidos grasos insaturados pueden tener los dobles enlaces localizados en diferentes posi­ ciones y, por ello, es necesario una descripdón que especifique su posición y configuración. Por ejemplo, e árido cis-9, 1 2 ,15-octadecatrienoico se denomina comúnmente árido linolénico y en la nomenclatura corta, C-18:3. La posición del doble enlace se determina con la expresión (n - jc), donde x es el número de átomos de carbono que hay desde el último doble enlace al grupo metilo terminal: C-18U (n -3 ) . |— n-3 —| c h 3- c h ,- c h = c h - c h j- c h = c h - c h i- c h = CH-(CH,)t-COOH L a nomenclatura (/i - x ) se utiliza sólo para los áridos grasos que contengan dobles enlaces en la posición cis. El ácido oleico (C -t8:l, n - 9) se encuentra en la mayoría de las grasas; es el componente mayoritario del aceite de oliva (72%), constitu­ ye el 40% de la manteca de cacao y el 35-40% de las grasas de origen bovino y ovino. CUJCtO 3.3 . Principelas ecidoi greiai IrwMradot ora unta > tn lot alimantot. Ñoflibn'uitamóKco Nomfira'oMiwr ii Plinto da talán fC ) PuntodaebuDia6n.CCl 9-lalradacanotcg Miríilotaiea 14:1 [n - 5) 9-Ha*odncano«eo Pglmitolaico 16:1 (n-7) 0 9-Octadacanorco Oiaico 18:1 (n - 9 1 16,3 153 o 0,1 mm Hg 1 l-Octadacnnoico Vocánfco 18:1 l«-7 ] 39,5 Mico la no ico Godolaico 20:1 (n - 111 23,5 9,12 Son también- frecuente.; otros ácidos mono- insaturados ta la como el palmitoletco (016:1, n - 7) (aceites de pescado y semillas) y el eniá- co (022:1, >i-9) (mostaza y aceite de colza). Entre los ácidos grasos poltinsaturados (PUFA). el ácido linoteicc (018:2, n - 6) es el que presenta un mayor interés al tratarse de un ácido graso esencial y esta.* implicado en las re­ acciones de oxidación, polimerización y en las interacciones lípido-proteína; es el ácido graso predominante en los aceites de girasol (30- 70%). algodón (43-50%) y maíz (40-60%). El ácido linolénico (018-3, n - 3) constituye ei 50- 60% de los ácidos grasos del aceite de linaza y el 8-10% del aceite de soja: el ácido araquidó- nico (020:4, n - 6) es muy frecuente en el rei­ no animal y forma parte de los Ifpidos constitu­ yentes de las membranas celulares y del tejido nervioso. 3 .3 . Características do los giicéridos Los giicéridos o grasas neutras son los com­ ponentes básicos de las grasas naturales. Es* tructuralmente están constituidos por una mo­ lécula de glicerol (O) en la que están esterífica- dos uno (monoglicérido), dos (digücérido) o tres (triglicérido) moléculas de ácidos grasos. Los triglicéridos son los más abundantes en la naturaleza mientras que los mono- y diglkérí- dos se encuentren «arpeo ue ñas cantidades tan­ to en las grasas comestibles como en tos Ifpidos de los alimentos; no obstante, su concentración puede aumentar par acción de hidrolasas sobre los triglioéridos durante la elaboración y con- aerradónde los alimentos. Tanto ios mono- co­ mo los diglicéridos son agentes surfactintes, por te que son muy utilizados ea Tecnología de los Alimentos como emulsionantes. La distribución de los ácidos grasos en les diferentes posiciones de los giicéridos es, más que aleatoria, selectiva. Por este motivo, se bao emitido diversas teorías para explicar la distri­ bución de los ácidos grasas en los triglicéridos. La teoría de la distribución uniforme man­ tiene que los ácidos grasos similares se distri­ buyen en el mayor número posible de molécu­ las de giicéridos. Así, sí un ácido graso (A) constituye un 35% del total de ácidos grasos, se presentará al menos una vez en todos los trigli­ céridos presentes-(GAXj); si se presenta en un 35*70%, aparecerá dos veces (GAjX) y si es en cantidad superior al 70%, se tom arán triglicé­ ridos simples (GAj). La teoría de la distributíón til atar sugiere que los ácidos grasos se distribuyen en los gli- céridos de forma aleatoria pero el contenido en giicéridos saturados debe ser compatible con la fluidez de ios Ifpidos in vivo. Después de esta teoría se emitid la hipótesis de la distri­ bución al azar tipo 1-3,2 en la que se supone que las posiciones 1 y 3 son equivalentes y es­ tán ocupadas por el mismo ácido graso situado al azar en dicha posición, y la posición 2 esta­ ría ocupada por ácidos grasos también dis­ puestos al azar, esta teoría es la que mis con­ cuerda con los datos que se obtienen experi- mentalmente. Finalmente, para grasas animales se ha pro­ puesto la teorfa de la distribución ai atar res­ tringido que se basa en tres supuestos: a) Todas las moléculas de glicerol son igual­ mente reactivas. b) Los ácidos grasos se encuentran en equi­ librio dinámico. e) Es necesario mantener en el organismo la grasa en estado fluido. Según esta teoría, los ácidos grasos satura­ dos se distribuyen en los giicéridos de forma aleatoria pero, con frecuencia, tienden a dis­ minuir por un intercambio entre ácidos grasos saturad» (■£) sónsaiuzedos (I). El resaludo de tales sustituciones es el aumento de GSjI y la disminución de GSp GSI, y GI, en unos por­ centajes superiores a los esperados en una dis­ tribución al azar. Así, basta conocer la canti­ dad total de ácidos saturados y la cantidad de GS} para calcular los porcentajes de los otros tres tipos de giicéridos. 3.4. Características de los fosfol¡pidos Son lípidos complejos que contienen fósforo y poseen, como núcleo, una molécula de glice- rol (fosfoglicérido) o esfingosina (esfingolípi- dos); estos últimos tienen poca importancia en los alimentos. En los fosfolípidos es muy fre­ cuente la presencia de ácidos grasos insatu- rados y su distribución en la molécula no es aleatoria, ya que los ácidos grasos insaturados ocupan preferentemente la posición 2 y los sa­ turados y monoenoicos, la posición 1. Los fosfoglicéridos son elementos impor­ tantes de la membrana celular, de los tejidos y órganos del sistema nervioso y de los compo­ nentes de la sangre. Normalmente se encuen­ tran unidos a proteínas formando lipoproteí- ñas, lo que obliga a una desnaturalización de las mismas en el caso que se precise extraerlos. Es muy frecuente la oxidación de los ácidos grasos insaturados de los fosfolípidos, particu­ larmente en carnes y pescados, siendo esta oxi­ dación previa a la de los triglicéridos. Los fos­ folípidos con grupos amino libres pueden parti­ cipar en los procesos de pardeamiento no enzimático al reaccionar con aldehidos dando lugar a polímeros, bases de Schiff y productos de escisión que, en general, presentan fluores­ cencia al ser excitados por las radiaciones ul­ travioletas. En términos generales, ios fosfolípidos se encuentran en todas las grasas y aceites apare­ ciendo en menor cantidad en las grasas anima­ les de depósito. Son moléculas anfifflicas. por lo que pueden unirse al agua y separarse del resto de los componentes de la grasa. Los fosfolípidos más importantes en los ali­ mentos son la fosfatidilcolina (lecitina), fosfati- dilserina, fosfatidiletanolamina (cefalina), fosfa- tídilinositol y difosfatidilglicerol (cardiolipina). 3.5. Fracción insaponificable Esta fracción está constituida básicamente por esteróles, terpenos, alcoholes alifáticos, es- cualeno e hidrocarburos (cuadro 3.4). En la mayoría de las grasas el componente mayoriti­ rio de esta fracción son los esteróles. Las grasas animales contienen colesterol y, en algunos ca­ sos, pequefias cantidades de otros esteróles co­ mo el lanosterol. Los esteróles son compuestos que contienen un núcleo cidopentano-perhi- drofenantreno que es común a otros muchos compuestos naturales como los ácidos biliares, hormonas y la vitamina D\ tienen un elevado punto de fusión y poseen una estructura plana con una configuración trans. En las grasas na­ turales, parte de los esteróles se presentan co­ mo ésteres de ácidos grasos; por ejemplo, en la leche en tomo a un 10% del colesterol se pre­ senta esterificado. Los hidrocarburos presentes en las grasas son miembros de tas n-parafinas así como de las parafinas de cadena ramificada de configu­ ración ¡so y onuiso. C U M XO 3 .i. Com ponem os moyorüono» da lo ¡facción iM opoaéicoblo do algunos gratot y ocoóti {%). Acodo Kdrocorburos Escvolono Alcoholo! oWóticot Vpooot Estacólos Oli«o 2,8-3,5 32-50 0,5 20-26 2000 Uñazo 3,7-1 a 3 2.5-6 29.3 3a.5-52 **> 3.8 2,5 a,9 23,2 58.a Colza 8,7 4.3 7.2 9.2 63,6 Mofe i.a 2.2 5 6.7 81,3 tocino 23.8 a.á 2.1 7.1 17 Montoco 11.8 U 2.a 5.5 6a 9o M e- ¡1VOCJ 3.6. Propiadodu físicas Muchas de las propiedades funcionales de las grasas que se utilizan en la elaboración de mar­ garinas, grasas emulsionabies o emulsiones de­ penden de la estructura y propiedades físiras de los Ifpidos, tas cuales dependen a su vez de la composición química de sus moléculas 3 .6 .1. Polimorfismo Las grasas se diferencian de los aceites en el grado de solidificación a temperatura ambiente ya que los aceites son líquidos en estas condi­ ciones. El estado sólido de una grasa no es más que la consecuencia de la aparición de cristales, y la proporción de éstos es de gran imponencia en la determinación de las propiedades físicas de un producto. Las grasas se consideran sóli­ das cuando poseen al menos un 10% de sus componentes en esudo sólido (cristalino). El tamafto de los cristales de grasa oscila entre 0.1 y 5 pm y ocasionalmente pueden su­ perar las 50-100 pm; estos cristales grandes son perfectamente apreciables en el paladar y visi­ bles a simple vista. Los cristales se mantienen unidos por fuerzas de Van der Waals y en su crecimiento forman una red tridimensional que confiere rigidez al producto pudiendo retener en su interior grasa líquida aún sin cristalizar (cristales mixtos). Una de las características m is importantes de (a grasa es su polimorfismo cristalino, ya que u n to los triglicéridos como los di- y mono- giicéridos tienen la propiedad de solidificar en diferentes formas cristalinas. Se admiten al menos tres formas distintas designadas como ot. p y 3’. La aparición de un tipo de cristal u otro depende del método de formación. Si la grasa solidifica por un método rápido (inmer­ sión en nitrógeno líquido o acetona con nieve carbónica), se produce la forma a; la forma p aparece cuando el enfriamiento es lento o si el atemperado se realiza a temperatura justamen­ te por debajo del punto de fusión; la forma p‘ puede obtenerse a partir del atemperado por encima del punto de fusión de la forma a o bien a partir del triglicérido fundido mante­ niendo su temperatura justamente por encima del punto de fusión de la forma a Cada una de estas formas presenta su. punto de fusión, su patrón de difusión de rayos X y un espectro in­ frarrojo típico. En la forma a , los cristales son de tipo hexa­ gonal y se orientan aleatoriamente en el espa­ do. La forma P" presenta cristales ortorrómbi- eos orientados en direcdones opuestas. En la forma P. la más estable, los cristales están orientados en el mismo sentido y el tipo de cristal es tricídico. Existen algunas formas relacionadas con las anteriores que, en general, son menos estables; son las formas sub-a, vitrea y la y, y se originan a temperaturas muy bajas. El estudio de los triglicéridos por difraedón de rayos X ha demostrado la existencia de los denominados espacios cortos y espacios largos. Los espacios cortos corresponden a la anchura de las celdas de la red; son independientes de la longitud de la cadena pero dependen de la den­ sidad de las moléculas, por lo que aportan infor- marión sobre la distribución y orientación mo­ lecular de las formas polimorfas. La medida de los espacios cortos se ha utilizado para caracte­ rizar las formas polimórficas: así, los espacios cortos en la forma a miden 0,415 nm. 0,42 nm y 038 nm en la P* y 0,46,0385 y 037 nm en la forma p. Los espacios largos dependen de la longitud de la cadena, es decir, del número de átomos del grupo acilo. Al determinar la estructura molecular de los cristales p de los triglicéridos mediante es­ tudios de densidad electrónica, se observa que estas moléculas adoptan la forma denominada silla, en la cual las cadenas de los ácidos grasos situados en las posiciones 1 y 3 se sitúan opues­ tas a la situada en posición 2'. Por el contrario, los cristales de tipo P' adoptan la posición co­ nocida como diapasón (figura 3.1). La forma a , con punto de fusión inferior a las otras des, presenta aspecto vitreo pero los FIGURA 3.1. Ordenamiento de las moléculas en un cristal de un triglicérido. estudios realizados con microscopía de luz po­ larizada revelan la existencia de cieña estructu­ ra cristalizada. La forma {3 es la más estable y en ella se transform an las otras formas más inestables cuando se dejan en reposo; es típica de los aceites de oliva, girasol, maíz, coco, palma, cacahuete y de la maateca de cerdo. La forma p' es característica de las grasas, mantecas mo­ dificadas, sebos y del aceite de algodón parcial­ mente modificado. Los diglicéridos más frecuentes son los que presentan un polimorfismo de tipo P y (5*. Los 2-monoglicéridos no presentan polimorfismo mientras que los 1-monoglicéridos pueden en­ contrarse en tres o cuatro formas. 2. ó. 2. P'jr.!o —e fisión S t considera como punto de fusión de una grasa el punto de fusión de la forma polimór- fica más estable (p) en un capilar abierto, y corresponde a la temperatura a la cual se fun­ den todos los sólidos. La presencia de ácidos grasos de cadena corta o insaturados tiende a bajar el punto de fusión y, por ello, los aceites vegetales, ricos en ácidos grasos insaturados, son líquidos a temperatura ambiente mientras que la grasa animal, más saturada, se presenta como sólida a la misma temperatura. Por lo tanto, el conocimiento del punto de fusión es muy importante en el procesado de grasas animales, pero de poco valor en los aceites ve­ getales, ya que son líquidos a temperatura ambiente. Los puntos de fusión de las grasas puras son muy concretos, pero como una grasa o un aceite están constituidos por una mezcla de lt- pidos con diferentes puntos de fusión, no se habla de punto de fusión neto sino de zona de fusión y generalmente se admite como punto de fusión el del componente de la grasa que funde a una temperatura más elevada. 3.6.3. Viscosidad Es una propiedad de gran interés en el pro­ cesado y manipulación de las grasas y debe te­ nerse eñ cuenta cuando se designan sistemas de manejo para las mismas. La viscosidad de una grasa se debe a la fricción interna entre los lípidos que la constituyen. Debido al ele­ vado número de moléculas que forman una grasa, la viscosidad es, generalmente, alta. Va­ ría con las características de los ácidos grasos. Así, aumenta al hacerlo la longitud de la cade­ na de los ácidos grasos componentes y dismi­ nuye al aumentar el grado de insaturación. Por ejemplo, la tricaprina (C-6) presente una visco­ sidad de SO cP mientras que la de la triesteari­ na (C-18) es de 14,31 cP. O.ó.4. Cujdi' SSpBClflCZ Como calor especifico se considera la can­ tidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de una sustancia para incre­ mentar su temperatura en un grado centígra­ do; se expresa en kJ/kg °C. Las propiedades térmicas de las grasas tienen gran importancia en su manipulación y procesado y en el estu­ dio de los cambios de fase. Estas propiedades varían de unas grasas a otras debido a su dife­ rente composición. Las propiedades térmicas de una grasa varían también dependiendo de las formas polimórficas y de las cantidades re­ lativas de sólido y líquido presentes. La varia­ ción del calor específico de diferentes grasas es muy ligero, debido a que los triglicéridos más comunes tienen un calor específico muy similar. El calor específico aumenta en función del grado de insaturación de los ácidos grasos tan­ to en estado sólido como en líquido; es impor­ tante señalar que el calor específico de las gra­ sas líquidas es el doble que el de las grasas sóli­ das y también que las formas a presentan un valor superior al de las p. 3.6.5. Calor latenle de fusión Es el calor absorbido por una muestra de grasa natural a temperaturas inferiores al pun­ to de fusión, pero superiores al de solidifica­ ción completa; está, por lo tanto, en función de los calores específicos de la fase sólida y líquida y viene expresado en kJ/kg °C. Estos datos ca­ lorimétricos se utilizan para estimar las canti­ dades relativas de sólido y líquido en las grasas comerciales. El calor lateare de fusión aumenta al hacer­ lo la longitud de la cadena. El de la forma a inestable es mucho menor que el de la forma P estable. Si se deja en reposo suficiente tiempo una muestra de grasa en forma o o se eleva lentamente su temperatura, se convierte en la forma estable p liberando calor. 3.6.6. Indice de- refracción El índice de refracción de una sustancia (n) viene dado por la relación entre la velocidad de la luz en quc-tanto el sólido como el líquido dilatan a una velocidad constante e igual, es decir, que las líneas de la gráfica correspondientes al pro­ ducto sólido y al líquido son rectas paralelas. Figura 3.2. Curva aliaron ¿trico porción entre la parte sólida y la líquida (20- 40% de grasa en estado sólido), sus cristales deben estar en forma o y las redes no deben estar demasiado apretadas. Las grasas plásticas se comportan como un sólido hasta que las fuerzas deformantes que se aplican rompen la red cristalina y es en este momento cuando la grasa se comporta como un líquido viscoso y, en consecuencia, se puede untar. 3.7. Tratamientos de modificación de las grasas Los principales tratamientos que se aplican a las grasas con el fin de modificar su composi­ ción y estructura son tres: hidrogenación, trans- esterificación y fraccionamiento. 3 .7 .1. Hidrogenación La hidrogenación de las grasas es una reac­ ción química que consiste en la incorporación de hidrógeno al doble enlace de los ácidos grasos insaturados. Esta reacción es de gran importancia en la industria porque permite la conversión de aceites en grasas plásticas utili- zables en la industria de elaboración de marga­ rinas y grasas emulsionables (shorunings). Tras la hidrogenación, las grasas mejoran su color y son menos susceptibles a la oxidación por lo que son más estables. En la práctica comercial, la hidrogenación se realiza mediante una fuerte agitación del aceite líquido en presencia de una determinada cantidad de hidrógeno gaseoso y un catalizador sólido en tanques cerrados a una presión determinada (3-7 kg/cm1) y a una tem­ peratura que oscila entre 100-200 °G Aunque la mayoría de los procesos industriales utilizan níquel como catalizador, pueden usarse tam­ bién cobre, platino y paiadio así como cromo, carbonilos y pentacarbonilo de hierro; las dosis utilizadas oscilan entre 0,0S y 0,2%. El aceite de partida debe estar refinado, blanqueado, se­ co y sin jabones; el hidrógeno debe estar tam­ bién seco y no contener ni amoníaco, ni azufre ni C 0 2; el catalizador debe ser activo durante tiempo, presentar la selectividad requerida y ser fácil de eliminar por filtración. El mecanismo implicado en la hidrogena­ ción de una grasa consiste en la reacción de un ácido graso insaturado y el hidrógeno atómico adsorbido en el catalizador metálico. El esque­ ma de la reacción se presenta en la figura 3.3, en la que S representa al sustrato graso, M al catalizador metálico y H al hidrógeno. Los compuestos intermedios 1,2 y 3 son inestables, de vida corta y es muy difícil su aislamiento. El rendimiento de la reacción depende de la natu­ raleza de la sustancia sometida a tratamiento, de la naturaleza y concentración del cataliza­ dor, de la concentración de hidrógeno así como de la temperatura, presión y grado de agitación (cuadro 3 .5). Generalmente la grasa no se hi- FIGURA 3.3. Esquema de las reacciones que tienen lugar durante la hidrogenación de las grasas. S: Sustrato graso. M: Metal caiolizodor. H: Hidrógeno. C lM X O 3.5. Efecto de los parámetros del procesado en la selectividad y velocidad de hidrogenación. Parámetro Selectividad Ác. grasos Iraní Velocidad Alto temperatura Abo Aba Aba Abo presión Soja 8oja Abo Abo concentración Aba Aba Abo de catalizador Agitación intensa Baja Saja Abo ftnfwrno ¡1996J. drcgsi-a tota-men-s sino que siempre quedan parcialmente hidrogenadas. La reacción de hidrogenación se controla usualmente midiendo el índice de refracción que está relacionado con el grado de satura­ ción (véase 3.6.6). En ia hidrogenación, además de la satura­ ción de los dobies enlaces, ocurre una isomeri- zación, es decir, una reorganización de la es­ tructura molecular de los ácidos grasos iniciales en los cuales se modifica la configuración cis (inestable) a trans. Este cambio tiene una re­ percusión nutrícional ya que, entre otras cosas, se produce una pérdida de los ácidos grasos esenciales y, por lo tanto, será necesario repo­ nerlos para que el valor nutritivo sea el ade­ cuado. Por otra parte, hay que tener en cuenta que los ácidos grasos insaturados son utilizados por el organismo humano como material bioló­ gico indispensable para la formación de las membranas celulares; al estar en una configu­ ración diferente a la que se encuentra en la na­ turaleza, obviamente no son de utilidad bioló­ gica y aún más, pueden ser considerados como moléculas extraflas capaces de interferir en el organismo con determinados procesos metabó- licos. Además, tos isómeros trans se metaboli- zan más lentamente y se fijan preferentemente en el tejido adiposo provocando un aumento del 50% de los niveles de colesterol sérico (au­ mento del colesterol LDL) comparado con el incremento sufrido con una dieta saturada; en consecuencia, son responsables de sobrecargas liptdicas en el miocardio y en las paredes de los vasos en las enfermedades cardiovasculares. En la actualidad se tiende a limitar el conteni­ do de estos isómeros en algunos productos, co­ mo en los. alimentos infantiles, aceites de con­ sumo y chocolates. Existen dos tipos de hidrogenaciones de­ pendiendo del destino de la grasa resultante: a) Hidrogenación selectiva. El término se­ lectivo se refiere a que el hidrógeno se in­ corpora primero a los ácidos grasos más insaturados. El proceso es Unto mis se- tCctiYo cu¿Ti«o mayo; ¿3 i¿mp¿r¿rúró y menor es la presión aplicada y la agita­ ción dei sistema. Los aceites hidrogena­ dos son más resistentes a la oxidación de­ bido a que se hidrogena preferentemente el ácido linolénico. Por lo tanto, este pro­ ceso se hace principalmente para reducir el contenido en ácido linolénico y aumen­ tar así la estabilidad de la grasa. Los cata­ lizadores existentes no permiten la trans­ formación sólo del ácido linolénico en li- noleico, por lo que aparecen siempre ciertas cantidades de ácido oleico. i¡n im­ portante factor que se ha de tener en cuenta en este tipo de hidrogenación es la presencia de isómeros trans que aparecen en alta concentración ya que son los de configuración más estable.¿Cuanto más selectiva sea la reacción, mayor es la for­ mación de ¡sómeros rrans, preocupantes desde el punto de vista nutrícional. En cualquier caso, los diferentes catalizado­ res dan como resultado distintas selectivi­ dades, si bien las condiciones de tempera­ tura, presión y agitación también influyen de forma importante en el proceso. b) Hidrogenación parcial o total. Tiene por finalidad la obtención de grasas sólidas, base de la fabricación de margarinas, mi- najinas y grasas emulsionables; se busca, por lo tanto, aumentar el punto de fusión con el fin de obtener lípidos de una con­ sistencia determinada a temperatura am­ biente. Cuando la hidrogenación es no se­ lectiva, los ácidos poliinsaturados se redu­ cen rápidamente y los niveles de isómeros trans aumentan hasta niveles de un 40%; es el caso de las margarinas corrientes. Por lo general, la hidrogenación selectiva se realiza a 195 *C durante 30 minutos y a una presión próxima a 810 kPa, mientras que la hi­ drogenación parcial se realiza a temperaturas y presiones inferiores pero durante m is tiempo y una concentración del catalizador diez veces superior. 3.7.2. Tronsesieriñcaáon finieresterificación) Las caracien'sticas físicas de una grasa de­ penden en gran medida no sólo de los ácidos grasos constiti yentes (longitud de cadena y grado de saturación) sino de su distribución en la molécula del criglicérido. Por lo tanto, el pa­ trón de distribución original de los ácidos gra­ sos de algunas grasas naturales limita su utiliza­ ción industrial. Con el prozeso de transesterificación se consigue modificar la posición de los ácidos grasos entre diferentes posiciones hidroxilo ya sea en un m isno criglicérido (transesterifica- ción intramolecular) o entre triglicéridos dife­ rentes (transesterificación intermolecular). Se trata, por lo tanto, de una redistribución al azar que mejora la consistencia y utilidad de tales grasas. Por elle, esta reacción se usa en la in­ dustria para modificar el comportamiento cris­ talino de una grasa y sus propiedades físicas. La transesterificación se produce en presen­ cia de varios catalizadores tales como estaño, plomo, cinc, cadmio o con metales alcalinos o alcalinotérreos, siendo muy efectivos ios alcohó­ lalos, amidas e hidruros a una concentración de 0,1 a 0,3%. El uso de catalizadores permite com­ pletar la reacción en poco tiempo (30 min) y a temperaturas tan bajas como de SO ®C. Sin ellos, se trabaja a temperaturas entre 100 y 160 °C du­ rante más tiempo. Si se efectúa en las condiciones más adecua­ das, la distribución de los ácidos grasos en los trigficéridos se hace totalmente al azar y, en es­ te caso, se forman 6 posibles triglicéridos cuya 'proporción puede calcularse matemáticamente (combinaciones de-n etementos-mam) 5-S-S t i-I-i ____________ I_____________ s-s-s s-i-s i-s-s s-w i-s-i i-m (12.5%) (12,5%) (23.0%) (25,0%) (12.5%) (12 ¿% ) La transesterificación aleatoria o no dirigida se utiliza básicamente para: -) Modificar e! contenido en triglicéridos sólidos de algunas grasas y por lo tanto de su consistencia a distintas tempera­ turas. b) Preparar grasas sólidas ricas en ácido li- noleico para la fabricación de marga­ rinas. La transesterificación dirigida se realiza manteniendo la grasa por debajo de su punto de fusión, lo que conlleva la cristalización de los triglicéridos saturados; así se facilita su se­ paración de la mezcla. Los nuevos triglicéridos saturados que se van formando cristalizan y precipitan continuando el proceso hasta que precipite la totalidad de los triglicéridos satura­ dos. Si la grasa original es un aceite que con­ tenga uaa cantidad considerable de ácidos gra­ sos saturados, este método facilita su conver­ sión en un aceite con la consistencia de una grasa emuisionable (shortening) sin necesidad de recurrir a la hidrogenación o a la mezcla con grasas duras. EJ proceso de transesterificación se utiliza ampliamente en la elaboración de skortenings a partir de manteca de cerdo. La manteca, de­ bido a su alto contenido en giicéridos satura­ dos, forma grandes cristales, por lo que los skortenings hechos con manteca natural poseen estructura granulosa y son de difícil manejo en bollería o en la elaboración de helados. La transesterificacióa consigue mejorar sus carac­ terísticas plásticas y sus cualidades emulsio­ nabas, haciéndolos adecuados para su utili­ zación. La transesterificación permite preparar también mono- y diglicéridos; para ello se tra­ baja en presencia de un exceso de glicerol & 20C ®C bajo vacio a « n un gas inerte. Los mo- noglicéridos así obtenidos se utilizan amplia­ mente en los alimentos como agentes emulsio­ nantes. El tratamiento de transesterificación no mo­ difica los ácidos grasos, es decir, no aparecen isó­ meros trans, por lo que se presenta como un buen sustituto del tratamiento de hidrogenación. No obstante, el cambio de posición de los ácidos grasos sobre el glicerol puede cambiar la díeesti- biiidad del tríglicérído y, por lo tanto, la absor­ ción de cada uno de los ácidos grasos. 3.7.3. Fraccionamiento El fraccionamiento permite separar una grasa en tracciones de propiedades físicas dife­ rentes. Estas fracciones se denominan: oleínas si son líquidas y estearinas si son sólidas. Con este tratamiento se modifica la relación sóli­ do/líquido de una grasa, por lo que se puede conseguir una plasticidad determinada. El frac­ cionamiento consiste en hacer cristalizar una grasa a baja temperatura y eliminar posterior­ mente, por filtración o centrifugación, los tri- glicéridos de punto de fusión relativamente elevado, los cuales podrían, por ejemplo, alte­ rar los aceites al cristalizar durante su almace­ namiento. La velocidad de enfriamiento es im­ portante porque condiciona el tamaño de los cristales de los que depende la relación sóli­ do/líquido de la grasa. El fraccionamiento puede acelerarse me­ diante la utilización de detergentes o disolven­ tes orgánicos. Este proceso no tiene ningún efecto sobre la calidad nutrícional de las grasas siempre que se elimine el disolvente correcta­ mente del producto final. Con esta técnica se tratan los aceites comes­ tibles (girasol, maíz), sobre todo los utilizados en la elaboración de mahonesas, donde una cristalización podría romper la emulsión. 3.8. Enranciamiento autooxidativo El enranciamiento autooxidativo es una de las principales reacciones de deterioro de los alimentos ya que conlleva la aparición de sa­ bores y olores anómalos conocidos genérica­ mente como a rancio. Además, esta reacción de deterioro provoca un descenso del valor nu­ tritivo del alimento al verse implicado, entre otros, el ácido linoleico (esencial), y algunos de los productos resultantes de la reacción san potencialmente tóxicos. El enranciamiento li­ mita el tiempo de conservación de muchos ali­ mentos ya que puede desarrollarse aunque ten­ gan tan sólo un contenido graso del 1%. La oxidación de la grasa se conoce también como autooxidación o enranciamiento autooxidativo debido al carácter autolítico del proceso. Los principales sustratos de esta reacción son los ácidos grasos insaturados ya que los do­ bles enlaces son centros activos que pueden reaccionar con el oxígeno. Los ácidos grasos insaturados se oxidan a mayor velocidad cuan­ do están libres que cuando forman parte de tri- gücérídos o fosfolípidos, influyendo también el grado de insaniración en la velocidad de la re­ acción. Otros sustratos, como el escualeno, los ca- rotenoidesy las vitaminas A y E, pueden tam­ bién sufrir reacciones análogas de oxidación, por lo que este proceso suele ir asociado a una pérdida en el color y en el valor nutritivo como consecuencia de la pérdida de ácidos grasos esenciales. El efecto nocivo de las reacciones de oxida­ ción de los lípidos se puede minimizar básica­ mente con refrigeración, envasado y almace­ namiento correctos, aunque las reacciones no llegan a detenerse por completo ya que la auto- oxidación requiere una energía de activación pequeña (16-20 U/mol). 3 .3 .1. Reacciones de oxidación de los ¡¡pidos Las reacciones de autooxidación pueden di­ vidirse en tres etapas: iniciación, propagación y terminación. Salvo el comienzo de la reacción,, las tres etapas mencionadas se desarrollan si­ multáneamente. En las reacciones de iniciación se forman radicales libres a partir de los ácidos grasos insaturados que se combinan con el oxí­ geno dando peróxidos lipidíeos; en las reaccio­ nes de propagación se acumulan los peróxidos, siendo en esta etapa en la que se oxidan la ma­ yoría de los Ifpidos insaturados; en las reaccio­ nes de terminaáór. los radicales libres proceden­ tes de la descomposición de ios peróxidos lipidí­ eos se asocian formando compuestos no radica­ les de baja masa molecular (aldehidos, cetonas, lactonas, ácidos grasos de cadena corta, etc.) que son los responsables del olor a rancio. A ) Fase de iniciación La absorción de oxígeno por parte de los ácidos grasos insaturados exige la intervención de radicales libres; esto explica que al dar co­ mienzo la oxidación exista un período inicial de inducción en el que se alcanza un determi­ nado nivel en la concentración de radicales li­ bres. En esta primera fase o iniciación prima­ ria, el ácido graso insaturado (RH) cede un protón en el carbono a-metilénico y se convier­ te en un radical libre. RH -* R* + H* radical alcoilo r h + o 2- » r o o * + h * radical peroxi Estas reacciones tienen una elevada energía de activación (145-270 kJ/mol), lo que explica que sean difíciles de iniciar de forma espontá­ nea. Para su desarrollo se precisa de tempera­ turas elevadas y catalizadores, sobre todo de luz y la presencia de ciertos metales (cobre, hierro, níquel, cobalto y manganeso) o metalo- proteínas con un grupo herno. Cuando la reacción avanza y aumenta el contenido en peróxidos, surge la iniciación se­ cundaria, en la que comienza la descomposi­ ción de los peróxidos que puede ser mono- y bimolecular dependiendo de su concentración: Monomolecular (Ea — 85 kJ / mol) ROOH -* RO- + H* radical alcoxi ROOH - » R ' + H20 Bimolecular (Ea »105 kJ / mol) ROOH -r ROOH —»RO’ t ROO’ -r H20 En todo proceso de iniciación se originan dos radicales libres, cada uno de los cuales par­ ticipará después en la reacción en cadena. B) Fase de propagación Una vez que se han formado tos radicales li­ bres, éstos se combinan con el oxígeno dando lugar a más radicales peróxido que pueden sus­ traer hidrógeno de otra molécula insaturada rindiendo peróxido y un nuevo radical libre; comienza así la fase de propagación. Esta reac­ ción puede tener lugar cientos de veces y tiene la naturaleza de reacción en cadena: R* + 0 2 -> ROO* ROO’-i-RH-» ROOH+ R’ La energía de activación se sitúa en torno a 12-20 kJ/mol. La propagación se traduce, por lo tanto, en una oxidación de lipidos insa­ turados dando lugar a peróxidos de una for­ ma paralela al consumo de oxígeno gaseoso. Al principio se acumulan los peróxidos pero dada su naturaleza inestable se van descom­ poniendo, por lo que su contenido final termi­ na por descender; como consecuencia, el Indi­ ce de peróxidos, prueba utilizada para deter­ minar el grado de enranciamiento de una grasa, no constituye una medida efectiva del grado de oxidación excepto al principio de la reacción. Como resultado de la descomposi­ ción de los peróxidos se obtienen hidrocar­ buros y ácidos grasos de cadena corta, radica­ les libres y compuestos volátiles tales como carbonilos (aldehidos y cetonas) que son los responsables del olor a rancio; algunos (hexa- nal) se detectan a concentraciones muy bajas y otros (malonaldehído) se valoran frecuente­ mente con el ácido tiobarbitúrico (prueba del TBA) como índice del grado de enrancia­ miento de una grasa. Las reacciones de propagación son reaccio­ nes muy rápidas, ya que los radicales libres for­ mados son muy reactivos; por término medio, cada radical libre provoca la formación de 10- 100 moléculas de peróxidos en el caso de ios lí- pidos puros. Es importante tener en cuenta el elevado consumo de oxigeno que tiene lugar durante esta fase, ya que si el aporte de oxígeno no es limitado, se puede llegar a la oxidación de la totalidad de los ácidos grasos insaturados. C) Fase de terminación Al mismo tiempo que las reacciones de ini­ ciación y propagación se pueden producir las de terminación, que consisten en la reacción entre compuestos radicales dando tugar a pro­ ductos no reactivos. Básicamente las reaccio­ nes que pueden ocurrir son las siguientes: R ’ + R* - » R - R R ' + ROO' -» ROOR R '+ RO*->ROR n ROO' -> (ROO)a A partir de este momento, y si no existen más radicales para reaccionar con el oxígeno, ei proceso se da por concluido, sienc o necesa­ rio que se produzca una nueva reacción de ini­ ciación para que continúe la oxidacióu. El proceso puede resumirse como se mues­ tra en la figura 3.4, en la que se representa el consumo de oxígeno en función del tiempo en los lípidos puros (porejemplo, un aceite o un sistema teórico) y se observa cómo todas las re­ acciones son simultáneas en el tiempo. 3.8.2. Factores que intervienen en la oxidación de los lípidos de los alimentos En primer lugar es importante saber que si hacemos una comparación entre la velocidad de oxidación de ios lípidos puros y la de los lí­ pidos presentes en los alimentos, se observa que en los alimentos la fase de inducción es mucho más corta e incluso inexistente, ya que en ellos se detecta siempre un contenido inicial de peróxidos así como trazas de metales (por ejemplo, en moléculas con grupos hemo) que pueden actuar como catalizadores de la oxida­ ción. También es importante tener en cuenta que la velocidad de consumo de oxígeno en los alimentos es constante durante un largo perío­ do de tiempo, lo que hace que el enranciamien- Tiempo Figura 3.4. Curva da conjumo de oxigeno durante el proceso de enrancfomiento de los lípidos puros. to aparezca más carde que en ios iípidos puros (figura 3.5). El comportamiento de los lipidos de ios ali­ mentos frente a la oxidación presenta una gran variabilidad debido a la influencia de una serie de factores que a continuación se detallan: a) Cantidad de oxigeno presente: es eviden­ te que la oxidación de la grasa no tiene lugar en ausencia de oxígeno (o aire). Por tanto, cualquier proceso que se apli­ que con el fin de disminuir o eliminar el oxígeno en los alimentos, será efectivo para prevenir la oxidación. b) Composición de la grasa: el grado de in­ saturación y el tipo de ácido graso insa- turado influye notablemente en la reac­ ción. Así, los ácidos linoleico y linolénico se oxidan 64 y 100 veces más rápido, res­ pectivamente, que el ácido oleico. c) Exposición a la luz: la luz, mediante la actuación del oxígeno en singlete y las udiaciQac5.dc longitud de onda corta o de alta intensidad, son potentes acelera­ dores de las reacciones de oxidación y por ello, en la medida de lo posible, debe evitarse su incidencia directa en los ali­ mentos susceptibles a la oxidación me­ diante, par ejemplo, ¡a utilización de plásticos transparentes. d) Temperatura de almacenamiento: la tem­ peratura influye notablemente en el pro­ ceso de autooxidación. Así, cuánto más alta sea la temperatura mayor será la ve­ locidad a la que se desarrolla la reacción. Por cada 10 °C se observa cómo se dupli­ ca la velocidad de reacción del oxígeno con la grasa. No obstante, también pue­ de desarrollarse a temperaturas de refri­ geración y congelación. t) Grado de dispersión de los lipidos: se ha comprobado que una superficie proteica retarda la oxidación, mientras que una giucídica la acelera. f) Naturaleza del material utilizado en el envasado de los alimentos. ■>) La actividad de agua de la que depende la actividad catalítica de los metales. Así, el riesgo de oxidación aumenta a medida que lo hace ia am, siendo mínimo a valo­ res en torno a OÍ. h) Presencia de agentes pro- y andoxidantes de forma natural: entre los prooxidantes se encuentran, además de los metales, los grupos hemo de las moléculas de mioglobina y enzimas como las lipooxi- FlGUtA 3.5. Camporoción entre el consumo de oxigeno durante lo oxidación de lipidos puros y de lipidos de los alimentos. dasas. El cobre y el hierro ion cataliza­ dores metálicas muy activos, pudieadc actuar de forma importante a concentra­ ciones de 0,002 ppm (Cu) o 0,5-1 ppm (Fe). Las trazas de grasa oxidada actúan también como catalizadores y, por lo tan­ to, la limpieza de las zonas de procesado es de extrema importancia para minimi­ zar la oxidación. Las Iipooxidasas se en­ cuentran sólo en tejidos vegetales y cata­ lizan exclusivamente la oxidación de los ácidos grasos no esterificados portadores de un cú. cis perita 1-4 dieno con la parti­ cularidad de que pueden actuar a tempe­ ratura muy baja. Las iipasas también pueden acelerar la oxidación dando al alimento un sabor jabonoso: actúan libe­ rando los ácidos grasos de los triglicéri- dos y en este estado son más susceptibles de oxidación. Bajo la denominación de antioxidantes natu­ rales se engloba a una gran variedad de sustan­ cias que se encuentran en las plantas y que pueden inhibir o cuanto menos controlar la oxidación de las grasas. Unos de los mis inte­ resantes son ios tocoferoies, que se encuentran en la mayoría de los aceites vegetales y se utili­ zan con mucha frecuencia para la estabilización de grasas animales. Algunos de los mis utiliza­ dos se sintetizan artificialmente como equiva­ lentes al D-a-tocoferol; otros provienen de la destilación de aceites vegetales y normalmente son mezclas de a , (J. y &-tocoferoies. Estos an­ tioxidantes protegen a los aceites de la oxida­ ción prolongando la fase de iniciación, disminu­ yendo la formación de peróxidos y oxidándose ellos mismos durante el proceso autooxidativo. Los antioxidantes naturales también apare­ cen en las especias, siendo la salvia, la pimienta, la nuez moscada y el romero las más importan­ tes y sus extractos podrían ser utilizados para controlar la oxidación. Sin embargo, la especie que más se usa en la Industria Alimentaria es el romero (Rosmarinas ofpeinalis); el resto se uti­ lizan como tales especias y su efecto antioxi­ dante es una propiedad afiadida ai sabor y aro­ ma característicos que apenan a un alimento. Del romero se utilizan los extractos alcohó­ licos de sus bajas, los cuales se utilizan después de evaporar el alcohol. Están constituidas por al menos 45 compuestos diferentes de los cua­ les los más importantes son el camosol y el áci­ do rosmarínico. que son compuestos fenólicos con propiedades anuoxidantes. También algunos aminoácidos pueden ac­ tuar como antioxidantes naturales al reaccio­ nar con los metales e impedir así su acción ca­ talítica. 3.9. Reversión del sabor La reversión del sabor es un tipo especial de oxidación que tiene lugar principalmente en los aceites ricos en ácido iinoleico (aceite de * soja y coiza) cuando se exponen al aire, y Ueva consigo la aparición de sabores y olores anó­ malos descritos como a hierba, a pescado o a pintura. Estos sabores se desarrollan incluso a niveles bajos de peróxidos. Los compuestos responsables parecen ser sustancias volátiles resultantes de la oxidación del grupo penteno terminal del ácido linolénico y. fundamen­ talmente, son compuestos carbonilo, alcoho­ les. ésteres y ácidos. Se han podido aislar 70 compuestos volátiles diferentes. Los políme­ ros originados en la oxidación de estos aceites no poseen el olor característico a temperatura ambiente sino que se desarrolla cuando se ca­ lientan. Similar situación aparece en otros acei­ tes poliinsaturados como los de pescado. 3.10. Antíoxidantas Se consideran como antioxidantes a sustan­ cias presentes de forma natural o adicionadas intencionadamente a las grasas o a los alimen­ tos para retrasar la aparición de ios fenómenos de oxidación manteniendo intactas sus caracte­ rísticas sensoriales. Los antioxidantes que se adicionan a los ali­ mentos deben cumplir una serie de requisitos: no provocar efectos fisiológicos negativos; no producir colores, olores ni sabores anómalos; deben ser efectivos a bajas temperaturas, lipo- solubles y resistentes a los tratamientos a los que se vaya a someter al alimento; además de­ ben ser fáciles de obtener, activos a bajas con­ centraciones y económicos. Los antioxidantes pueden clasificarse en tres categorías: 3.10.1. Antioxidantes tipo I Se incluyen en este grupo a aquellas sustan­ cias capaces de interrumpir la cadena de radi­ cales cediendo un hidrógeno a un radical lipídi- co libre y quedando ellos en forma de radical. Como consecuencia, disminuye el número de radicales libres, desciende la velocidad de lá oxidación y se prolonga el período de induc­ ción. Los antioxidantes en forma de radical son estables y no reaccionan con los lipidos sino con otras moléculas similares, dando lugar a productos no radicales, o bien sufren una pos­ terior oxidación, dando quinonas. Sólo los compuestos fenólicos que producen quinonas fácilmente pueden considerarse como antioxi­ dantes de este tipo. En esquema, las reacciones que tienen lu­ gar son las siguientes: AH + R* -» RH + A* AH + ROO* -+ ROOH + A* AH + RO* -4 ROH + A* A* + A* -» Compuestos no radicales A* + X ' -» La concentración del antioxidante en un ali­ mento es de gran interés ya que algunos ejer­ cen una mayor protección cuanto mayor es su concentración en el producto, pero otros tie­ nen una concentración óptima por encima de la cual se comportan como agentes prooxidan­ tes. La cantidad de antioxidante adicionada se sitúa en torno a 0,01% respecto a la grasa del alimento y 0,025% si se utiliza una mezcla de antioxidantes, en la que ninguna de los compo­ nentes debe superar el 0,01%. La incorporación’del antioxidante debe ha­ cerse al comienzo de la oxidación ya que si el contenido en peróxidos es relativamente eleva­ do, el efecto protector se anula. Igualmente, el efecto protector de este tipo de antioxidante es escaso si el alimento es rico en catalizadores metálicos. Los antioxidantes tipo I más utilizados son los derivados orto y para de los compuestos fe- cólicos ya que, debido a la localización del elec­ trón entre dos formas de resonancia, forman ra­ dicales libres relativamente estables. Los más frecuentemente utilizados son ésteres del ácido gálico (galato de propilo), ter-butilhidroquino- na (TBHQ), butilhidroxianiso! (BHA) y butil- hidroxitolueno (BHT) (figura 3.6). Figura 3.6. Estructura de los principales anfioxidan- le i tipo I. G P : Galota de propilo. 8H A : Birfilhidro- xianisol. BHT: Butilhidroxitolueno. E! ga!a:s de prepiíj cj -T.áí a luble er. zguz que en tes grasas, es poco resistente al calor, no soportando tratamientos de cocción, y con e! hierro origina, sales de color azul oscuro que pueden provocar efectos adversos durante el almacenamiento de los aceites. La TBHQ es un antioxidante recientemente aprobado; es tan efectivo o mas que el galato de propito, ya que es más estable a altas tem­ peraturas, más soluble en grasa y no presenta ningún riesgo de aparición de colotes anóma­ los; se ha mostrado muy efectivo en el almace­ namiento de aceites refinados y desedorizados: por ello su uso está muy extendido en los paí­ ses productores y exportadores de iceiies ve­ getales. El BHA es muy soluble en grasas animales y aceites vegetales, siendo uno de los antioxi­ dantes más efectivos. Es bastante estable a los tratamientos aplicados a los alimentos y muy efectivo en grasas animales y aceites vegetales pero presenta el inconveniente de ser ligera­ mente volátil, por lo que puede evaporarse y perderse parcialmente en los proceses de des- hidratación y destilación; aún así, el BHA resi­ dual puede mostrarse como un activo antioxi­ dante. El BHT. al igual que el BHA. es soluble en grasas y resiste bien el calor. Es más volátil que el BHA. por lo que en caso de la preparación de alimentos deshidratados se utiliza en combi­ nación con ¿I. Este antioxidante es mis efecti­ vo en grasas animales que en los aceites vege­ tales. Tiene el inconveniente de tener un olor algo desagradable. Presenta una acción sinérgi- ca con el BHA. La elección de unos u otros depende de su actividad en los alimentos; con frecuencia se utilizan mezclados con ácido cítrico ya que éste es particularmente efectivo por secuestrar hie­ rro y además su incorporación al alimento no presenta problema alguno. Algunos compuestos presentes en tos ali­ mentos de forma natural tienen una acción an­ tioxidante; es el caso de los tocoferoles (a, P. 8, y), compuestos que poseen actividad vitamínica (vitamina E). E! ~ ís eficaz es e! 5 y, además, resiste al calor. Se encuentran en cantidades apreciables en todos ios aceites vegetales mien­ tras que las grasas animales no suelen contener tocoferoles. Son poco resistentes a los trata­ mientos que se aplican a los alimentos; basta observar la diferencia de estabilidad que pre­ senta un aceite antes y después de un proceso de fritura. El palmitaio de ascorbilo es un producto de síntesis cuyo componente básico es el ácido as- córbico (vitamina C); es soluble en grasa pero menos que otros antioxidantes, por lo que para su utilización es necesario combinarlo con agentes solubilizantes tales como los monogli- céridos. Su consideración como antioxidante aún está por resolver y algunos autores creen que su actividad se debe a que actúa como agente secuestrante. Las leciiinas y las mezclas de fosfolípidos tienen también capacidad antioxidante así co­ mo algunas flavonas, esteróles y compuestos con grupos sulfidrilos. 3.10.2. Antioxidant» tipo II Son compuestos que actúan impidiendo o disminuyendo la formación de radicales libres; los más utilizados son agentes quelantes de los metales tales como el EDTA (ácido etilen-dia- mino-tetracetico), apenas, utilizado, o el ácido cí­ trico. Su acdón depende del pH y de la tempera­ tura, ya que estos parámetros son los que gobier­ nan la estabilidad de los complejos formados. Se incluyen en este grupo otras sustancias como cambiadores de iones, aminoácidos y fos­ fatos. La acción antioxidante de la histidina y la cisteína no está completamente aclarada pe­ ro recuerda a un mecanismo de tipo L El empleo de agentes quelantes de metales debe ir acompañado de esfuerzos conducentes a limitar en lo posible la contaminación de los alimentos por esos metales: aparatos y tuberías de vidrio, acero inoxidable y otros materiales inertes. 3.13.3. An£cxtdan!i.¡ írpe l!t Se incluyen en este grupo aquellos procedi­ mientos físicos que protegen a los alimentos de la oxidación; se basan en el control del conteni­ do en oxígeno, de la humedad relativa y de la temperatura. Para evitar el contacto del alimento con el oxígeno, se utiliza el envasado a vacío o en at­ mósferas de nitrógeno, C 0 2 o mezclas de gases irertes en un material impermeable al oxígeno, aunque siempre hay que tener presente el oxí­ geno que queda ocluido en el alimento y que, aunque es una cantidad muy pequeña, se va li­ berando poco a poco. Un medio económico p ira reducir el contenido en oxígeno es utilizar bolsas de plástico con trazas de paladio, ya que este metal cataliza la formación de agua a par­ tir del oxígeno residual y del hidrógeno que se introduce en el momento del cierre. Es importante evitar la ausencia de agua en los alimentos deshidratados o, cuanto menos, mantenerlos en unos valores de aw próximos a 0 ya que en esta zona ia velocidad de oxida­ ción es la más baja. La temperatura afecta negativamente en la acción de los antioxidantes, sobre todo los de tipo I; sin embargo, las reacciones de pardea- miento que pueden tener lugar al aumentar la temperatura pueden originar compuestos an- b oxidan tes. Finalmente, se aconseja proteger a los ali­ mentos oxidables de la luz, ya que cataliza ia> reacciones de iaidadón. En la práctica, lo más frecuente es utilizar mezclas de andoxidantes tipo I y I I así como aplicar un procedimiento fisáco que proteja al alimento del enranciamiento. 3.11. Enranciamiento (¡político La acción de determinadas enzimas y las reacciones químicas rompen el enlace éster de los Ifpidos y consdtuyen el fenómeno conocido como lipoUsis o enranciamiento lipolfdco o hi- drolítico. Independientemente de la ca jsa, la lipolisis disminuye notablemente la calidad de las grasas destinadas, sobre todo, a condimen­ tos y frituras ya que, como consecuencia de la misma, aparte del sabor que puedan impartir, desciende el punto de humo y los alimentos preparados con ellas presentan superficies agrietadas, mayor tendencia al pardeam ento y un aumento del contenido graso debico a la absorción. Cuando las grasas quedan emulsionadas en agua, los ácidos grasos insaturados que se libe­ ran con la lipolisis pueden modificar el sabor de algunos alimentos, adquiriendo un ligero sa­ bor picante a bajas concentraciones; además pueden oxidarse dando sustancias de g-sn in­ tensidad sápida y olorosa. Los ácidos grasos li­ bres que aparecen se eliminan mediante técni­ cas de refinado y desodorízadón con el fin de conseguir grasas y aceites de calidad aceptable aunque el rendimiento y el coste del proceso tienen indudable importanda económica. Las enzimas li poli ticamente activas pertene­ cen al grupo de las hidrolasas. Las lipasas hidrolizan únicamente los lípi- dos emulsionados actuando en las interfases; se diferencian de las esterasas ea que éstas sólo escinden ésteres solubles en agua. Las lipasas existen naturalmente, entre otros alimenros, en leche, semillas oleaginosas, cereales, frutas y hortalizas. Desde el punto de vista de su es­ pecificidad, se distinguen dos grupos: las que hidrolizan a la misma veloddad los tres ealaces éster de los triglicéridos y las que hidrolizan al­ gún enlace concreto. La lipasa más conocida es la lipasa pancreática. La reaedón de las lipasas se acelera por la presencia de iones caldo que precipitan los ári­ dos grasas .liberados en forma de sales calcicas insolubles. Otras lipasas de interés son las fosfolipasas y las glicolipasas, enzimas altamente específi­ cas, que hidrolizan los fosfolípidos y los mono- y digalactosil-diacilgliceroles respectivamente. En los alimentos pueden existir también lipa­ sas de origen exógeno, procedentes de loa mi- crooiganismos que ae multiplican en el alimento; si son muy actives o sus asas son elevadas con­ tribuyen al enranciamiento hidroiítico de las gra­ sas. Algunas de ellas adquieren gran importan­ cia en ciertos alimentos, como ocurre en la leche con las lipasas producidas por las pseudomonas; muchas de ellas elaboran lipasas muy termoesta- bles que no se desactivan ni siquiera con los tra­ tamientos UKT, ocasionando efectos adversos importantes (véase volumen II, capítulo 3). Bibliografía ALLEN, J. C y HAM1LTON, R. J. (1989): Rand- dity in foods. Elsevier Applied Science. Nueva York. 1. los (¡pidos constituyen uno da los componentes moyoritorios da los alimentos, adquieren impor­ tancia al formar parte de los membranas y pare­ des celulares, por su valor nutritivo y por el des­ tacado popel tecnológico (emulsificanle, transmi­ sión de color, etc.) que desempeñan. En términos generales, los (¡pidos de los alimentos presentan ácidos grasos de cadena lineal y número por de átomos de carbono, normalmente entre 12 y 24 corbonos. 2. De su composición y estructura derivan las pro­ piedades (¡sicas de las grasas y los oceites; al­ gunos de ellos, como el punto de fusión y la cris­ talización, condicionon su aplicación en la In­ dustria Alimentaria. 3. lo estructura de los (¡pidos se puede modilicor mediante la aplicación de ciertos tratamientos (hidrogenoción, transesterificoción y fracciona­ miento) que conlevan un cambio en las caracte­ rísticas (¡sicas de une crasa s un aceite. BEUTZ, H. D. y GROSCH, W. (1997): Química de los dimenas. 1* ed. Acriou. Zaragoza. CHEFTEL, J. C y CHEFTEL, H. (1980): Introduc­ ción a la Bioquímica y Tecnología de los Alimón- sor. Acribo. Zaragoza. CHOW, K. CH. (1992): Faay Acids in Foods and Their Health Implications. Marcel Dekker Inc. Nueva York. FcNNEMA, O. R. (1993): Química de los Alunan- tos. 2.* ed. Maree! Dekker loe Nueva York. FENNEMA, O. R. (1996): Food Oiemistry. 3.* ed Marcel Dekker loe. Nueva York. MAN, J. M. de (1990): Principies o f Food Che- mistry. Van Nostrand Re lobo Id. Nueva York. PADLEY. F. B.: GUNSTONE. F. D. y HARWOOD, J. L. (1992): The Lipid Handbook. Chapman & HalL Londres. 4. los lípidos son el sustrato de una de los altera­ ciones más importantes de los alimentos, el en- ranciomienlo autooxidativo. Se trola de un con­ junto de complejas reacciones que afectan, en esencia, o los ácidos grasos insaturados y con­ ducen a la formación de esrr.puestos de bajo maso molecular (aldehidos, catanas, ácidos gra­ sos da codeno corto, loctanos, etc.) que son los responsables de la cparición de calores, sabo­ res y olores onómalos, conocidos como a rondo. El proceso de oxidación se desarrolla en cualquier alimento que tengo un contenido gra­ so incluso tan bojo como del 1V 5. Pora retrasar el desorrollo del enranciamiento pueden oñodirse a los alimentas sustancias on- tioxidonles que bloquean la sucesión de reac­ ciones, retrasando, por lo tanta, la formación de sustancias con sabores anómalos o pueden aplicarse procedimientos físicos basados fun­ damentalmente en el control de los niveles de oxígeno. RESUMEN 4 PROTEÍNAS En este capítulo se estudian las principales propiedades funcionales de las proteínas. Entre ellas, capacidad de absorción y retención de agua, so­ lubilidad, viscosidad, gelificación, texturización y formación de emulsio­ nes y espumas alimentarias. 4.1. Introducción L íj proteínas sor. -oléenlas complejas constituidas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y, a veces, también otros elementos como azufre, hierro, cobre, fósforo y cinc. Es­ tán formadas por aminoácidos unidos entre sí mediante enlaces peptídicos. Las propiedades de una proteína y su fun­ cionalidad dependen de su composición amino- acídica y de la disposición de los enlaces que estabilizan su estructura. Según las funciones que realizan se pueden agrupar en tres grandes categorías: proteínas estructurales, proteínas con actividad biológica y proteínas con valor nutritivo, aunque es necesario indicar que pue­ den pertenecer a varios grupos, ya que hay proteínas estructurales o biológicamente acti­ vas que también son nutritivas. Las proteínas con valor nutritivo se podrían definir como aquellas que son digestibles, no tóxicas y utili- zables por el organismo, encontrándose pre­ sentes en cantidades importantes tanto en pro­ ductos animales como vegetales. Las proteínas con actividad biológica comprende a las enzi­ mas, que se estudiarán en el capítulo 6. Las funciones que desempeñan las diversas proteínas en los alimentos se podrían mejorar si se conocieran mejor los mecanismos que condicionan y dirigen su comportamiento. Un conocimiento profundo de todos los compo­ nentes de los alimentos y de las relaciones en­ tre ellos es fundamental para la optimización de los procesos tecnológicos. 4.2. Propiedades funcionales de las proteínas El término propiedad funcional se define como toda propiedad no nutrictonal que influ­ ye en el comportamiento de algunos compo­ nentes de un alimento. La mayor parte de las propiedades funcionales influye en las caracte­ rísticas sensoriales pero pueden desempeñar también un papel importante en las propieda­ des físicas de los ali.Tentcs o de sus ingredien­ tes durante su procesado, almacenamiento, preparación y constar o. Las propiedades físicas y químicas que re­ percuten en la funcionalidad de las proteínas son numerosas; entre ellas pueden citarse ta­ maño, composición > secuencia de aminoáci­ dos, conformación (estructuras secundaría, ter­ ciaría y cuaternaria), carga neta de las pro­ teínas y distribución de éstas, capacidad de reacción con otros co nponentes, etc. Son tan­ tos los factores que influyen que no es fácil es­ tablecer una relación entre estas propiedades y su funcionalidad en el alimento. Otro inconve­ niente adicional radici en que. frecuentemen­ te, se modifica la estructura inicial de la proteí­ na cuando ésta se transforma en el complejo alimenticio final, estando dichas modificacio­ nes influidas a su vez por otros factores extrín­ secos como son el pH, la temperatura, las con­ diciones del proceso y otros componentes del alimento como lipidos, hidratos de carbono y otros. Aunque en la actualidad se está investigan­ do para explicar el comportamiento funcional de tas proteínas, es tal la complejidad de los sis­ temas alimenticios que, hasta el momento, no se han alcanzado conclusiones generales total­ mente satisfactorias. Como puede observarse en el cuadro 4.1, las propiedades funcionales de las proteínas que intervienen en un alimento son muy varia­ das. Desde el punto de vista didáctico, podrían clasificarse en dos grandes grupos: a) Propiedades hidrodinámicas: son aque­ llas que dependen de las interacciones de las proteínas con el agua. Se incluyen propiedades en las que estas interaccio­ nes son mayorítarías, como absorción y retención de agua, hinchamiento, adhe­ sión, dispersabilidad, solubilidad y visco­ sidad y otras como gelificación, precipi­ tación y la formación de diferentes es­ tructuras como fibras y pastas proteicas en las que la relación proteína-proteína Cl^OtC i I . P.-epi«dedei funcionales de !oi p-oreinos que influyan en diferentes sistemas alimenticio», Propiedad fúndonol Alimento Solubilidad, viscosidad Bebidos Viscosidad, ¿opacidad dt Vramos, topos. absorción da agua, emulsificación salsas Formación da maso Fe ira» alimenNcics, panas Farmoción da aspumo, amutsifieociófl. Ponas, póstalas, capacidad da absorción dt agua bizcoches Calificación, formación dt aspumo Postras lóeteos, merengue Emulsificación, viscosidad, galincoción Quesos Calificación, capacidad da absorción Productos cómicos de agua, emulsificación cocidos tuOurización, fijación da aromas, absorción y retención de ogua Análogos de come Emulsificación Mahonesa. mantequilla Calificación, formación de espumas Ovoproducfos es dominante en detrimento de las in­ teracciones proteína-agua. b) Propiedades ligadas a características de superficie. Se incluyen eo este apartado la capacidad de formación de espumas, emulsiones y todos los fenómenos rela­ cionados con la tensión superficial. 4.3. Propiedades de hidratación La textura y las propiedades reológicas de los alimentos dependen de la interacción del agua con otros componentes alimentarios, es­ pecialmente con macromolóculas como las pro­ teínas y los polisacárídos. De aquí la importan­ cia de conocer el comportamiento de las pro­ teínas en presencia de agua. El agua puede modificar las propiedades fisicoquímicas de los productos alimenticios e influir de una forma crítica en la.aceptación fina! del alimento, co­ mo ocurre en aquellos productos con un conte­ nido bajo de humedad, sn los que el factor determinante de su aceptabilidad es la capaci­ dad de retención de agua de las proteínas. Las propiedades de hidratación de las pro­ teínas están directamente relacionadas con fac­ tores intrínsecos de la propia molécula, es decir, con su composición aminoacídica y su confor­ mación. Las proteínas interaccionan con el agua a través de puentes de hidrógeno, enlaces dipolo-dipolo o mediante las cadenas laterales de los aminoácidos (interacción con los grupos ionizados). Así, si hay una mayor proporción de aminoácidos con cadenas laterales hidrófobas, la proteína presentará una menor capacidad de hidratación que si está compuesta por aminoá­ cidos con cadenas laterales hidrófitas que pue­ dan establecer, más fácilmente, puentes de hi­ drógeno con el agua. Igualmente, la conforma­ ción de las proteínas también influye en las propiedades de hidratación, es decir, la ordena­ ción en el espacio a lo largo de una dirección de las cadenas polipeptídicas unidas por puentes de hidrógeno (estructura secundaria} y la orga­ nización tridimensional de estas cadenas orde­ nadas, estabilizadas mediante uniones hidrofó- bicas, interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes (estructura ter­ ciaria). El tipo y proporción de las fuerzas im­ plicadas en la conformación,.así como la com­ posición y ordenación de los aminoácidos, afec­ ta a la funcionalidad de las proteínas. Los cambios de temperatura, pH y la presencia de disolventes orgánicos y otros agentes desnatu­ ralizantes también pueden alterar la conforma­ ción de las proteínas ya que modifican los dife­ rentes enlaces implicados. Estos cambios influ­ yen en la capacidad de captación de agua debido, fundamentalmente, al desenmascara­ miento de grupos hidrófobos. También influye la estructura, como ea el caso de las núcelas de caseína que pueden atrapar físicamente agua en su interior al penetrar ésta por capilaridad. Por otra parte, las propiedades de hidrata­ ción también se ven afectadas por diversos £ac- lores extrínsecos, siendo los m is importantes la cooceotraciófl de proteínas, el pH. !a tempera­ tura y la fuerza iónica. La concentración de proteínas está directa­ mente relacionada eos la cantidad total de agua que pueden absorber. La influencia del pH es muy importante ya que al modificarse la ionización de una solu­ ción proteica se alteran las fuerzas de atracción y de repulsión entre proteínas y la capacidad de éstas para unirse a las moléculas de agua. Cuando una proteína se encuentra en unos va­ lores de pH alejados del punto isoeléctrico está cargada positiva o negativamente, por lo que las moléculas de agua reaccionan con ellas fá­ cilmente contribuyendo así a su hidratación. Además, las cargas del mismo signo se repelen y, por lo tanto. las proteínas tienden a desple­ garse con lo que se favorece su interacción con el agua. Si el pH de U disolución proteica coin­ cide con e! punto isoeléctrico, las interacciones entre las proteínas son máximas, están muy re­ plegadas y, por lo tanto, el grado de hidrata- ción es mínimo, llegando a veces a formar agregados que pueden dar lugar a una precipi­ tación proteica. La máxima capacidad de ligar agua se presenta en la mayoría de las proteínas a valores de pH entre 9 y 10 debido a la ioniza­ ción de los grupos sulfhidrito. La capacidad de fijar agua por las proteínas va disminuyendo a medida que a .intenta la temperatura debido a la ruptura de los lábiles puentes de hidrógeno. Además, durante el ca­ lentamiento hay una desnaturalización segui­ da de una agregación, lo que lleva consigo una reducción de la superficie proteica expuesta al agua y, en consecuencia, se reduce la disponi­ bilidad de grupos polares para fijar agua. Esta reducción es de, aproximadamente, un 10% con respecto a la proteína nativa. Si son pro­ teínas globulares, que tienen una estructura muy compacta, al producirse la disociación y el desdoblamiento es posible que enlaces pep- tídicos que estaban en el interior puedan lle­ gar a localizarse en la superficie, pudiendo re­ accionar con el agua por lo que. en. este caso, puede aumentar la capacidad de absorción de agua. La concentración y naturaleza'de los iones presentes en una solución proteica tiene un efecto muy importante en las propiedades de hidratación de las proteínas. Se establece una relación entre el agua, las sales y las cadenas la­ terales de los aminoácidos de las proteínas. Si la concentración iónica es baja, la hidratación de las proteínas puede aumentar ya que los io­ nes se fijan a éstas, disminuyendo la atracción electrostática entre las proteínas. C ono conse­ cuencia, se abre la red proteica, que estará más en contacto con el agua. Es el efecto salnng-in. Sin embargo, con concentraciones salinas ele­ vadas se crea una competencia entre las proteí­ nas y las sales para captar agua disminuyendo las interacciones agua-proteína, lo que podría originar una precipitación de éstas. Es el fenó­ meno salüng-out. En este caso no hay suficien­ tes moléculas de agua para unirse a las proteí­ nas porque están ligadas a las sales. La capacidad de captación de agua por las proteínas puede determinarse midiendo, por diferentes métodos, el agua ligada, la uo conge- lable y también el agua capilar retenida física­ mente entre las moléculas proteicas. No se ha establecido ninguna relación clara entre las propiedades de hidratación de las proteínas y otras propiedades funcionales co­ mo la solubilidad y viscosidad, por lo que no resulta sencillo prever el comportamiento de éstas en diferentes condiciones. 4.4. Solubilidad La solubilidad de una proteína se define como el porcentaje de proteína que se mantie­ ne en disolución o dispersión coloidal bajo condiciones específicas y que no sedimenta a fuerzas centrífugas moderadas. Para que una proteína sea soluble debe interaccionar con el disolvente (puentes de hidrógeno, dipolo-di- polo e interacciones iónicas); por ello, se pue­ de definir también como e! equilibrio entre las interacciones proteína-proteina y proteína-di- solvente. La principal ventaja de una buena solubili­ dad es que permite una dispersión rápida y completa de las moléculas proteicas, lo que conduce a un sistema coloidal, disperso y con una estructura homogénea; todo ello resulta esencial en la elaboración de salsas, sopas des­ hidratadas, bebidas, purés, etc. La solubilidad a pH neutro o en el punto isoeléctrico es, con frecuencia, la primera propiedad funcional que se mide de un ingrediente proteico ya que las proteínas insolubles tienen muy pocas aplica­ ciones en la Industria Alimentaria. También es interesante conocer la solubilidad cuando se pretende determinar el grado de extracción y purificación de proteínas. Las proteínas pueden clasificarse en cuatro grupos según el grado de solubilidad: • Albúminas: solubles en agua a pH 6,6. • Globulinas: solubles en soluciones sali­ nas diluidas a pH 7. • Prolaminas: solubles en etanol al 70%. • Gluteninas: solubles únicamente en solu­ ciones muy ácidas o muy alcalinas. La solubilidad de las proteínas depende, además de las propiedades fisicoquímicas de la molécula, del pH, fuerza iónica, temperatura y tipo de disolvente. A pH distinto del punto isoeléctrico, las pro­ teínas poseen cargas netas y se repelen entre si, pudiendo interaccionar con las moléculas de agua y, por lo tanto, son más solubles. A medida que el punto isoeléctrico está más próximo, la diferencia de cargas entre las moléculas de las proteínas disminuye y cuando llega a ser lo sufi­ cientemente pequefla pueden contactar; formar agregados y precipitar. Si se representa la solu­ bilidad de una proteína determinada en función del pH, se obtienen habitualmente curvas en forma de U, donde la solubilidad mínima se co­ rresponde con un pH coincidente con el punto isoeléctrico (figura 4.1). Las proteínas son más solubles en agua cuanto más alejado está el pH Figura 4.1. Representación esquemática de lo solu­ bilidad en Junción del pH, de proteína de soja (A), caseína lo de Na (B| y proteínas de lactosuero (C) en NoCI 0,2 M. de su punto isoeléctrico y, por lo tanto, más puentes de hidrógeno se pueden establecer en­ tre las moléculas de agua y las proteínas. La presencia de iones de sales neutras aumenta la solubilidad de las proteínas, ya que pueden reaccionar con las cargas de éstas dismi­ nuyendo la atracción electrostática entre las car­ gas de distinto signo de las moléculas proteicas vecinas. Este efecto está en función del número de cargas de las especies tónicas en disolución y de la concentración de sal. Las sales que contie­ nen iones divalentes. como MgClj y MgSO,, son mucho más adecuadas para aumentar la solubi­ lidad que NaQ o KCI. Si la concentración de sa­ les aumenta, las proteínas pueden precipitar de­ bido a un exceso de iones (los que no están en­ lazados a tas proteínas) ya que compiten con ellas por el agua. La neutralización de las cargas disminuye las fuerzas repulsoras y las proteínas forman agregados y precipitan. Normalmente, la solubilidad de las proteí­ nas aumenta con la temperatura desde 0 *C a 40 *C Por encima, la mayoría'de ellas tienden a desnaturalizarse, lo que conlleva una pérdida de solubilidad. La desnaturalización térmica cambia la solubilidad de las proteínas porque hay un incremento de los grupos hidrófobos en la superficie de ia proteína (en estado nativo están orientados hacia el interior de la molécu­ la). El desdoblamiento altera el balance entre protefna-proteína y protefna-disolvente. Durante el almacenamiento en congelación disminuye la solubilidad de las proteínas, debi­ do a las uniones interproteicas que se estable­ cen cuando el agua que estabiliza ciertos gru­ pos funcionales se separa en forma de hielo. La presencia de cienos disolventes disminu­ ye las fuerzas electrostáticas de repulsión entre las moléculas proteicas, lo que favorece la agregación y posterior precipitación. Además, los disolventes compiten por las moléculas de agua y, por lo tanto, también reducen la solubi­ lidad de las proteínas. Para valorar la solubilidad de una proteína se utiliza el índice ¿e solubilidad del nitrógeno y el perfil de solubilidad en función del pH (fi­ gura 4.1), del tratamiento térmico y de la fuer­ za iónica. 4.5. Viscosidad La viscosidad de un fluido es la medida de su resistencia a fluir o romperse. Se expresa mediante el coeficiente de viscosidad (ji) que depende directamente de la fuerza de flujo (r) e inversamente de la velocidad relativa del flu­ jo (Y): El coeficiente de viscosidad es independien­ te de la fuerza o velocidad de flujo en los flui­ dos newtoniancs; sin embargo, la mayoría de las macramoléculas en disolución, entre las que se incluyen las protemas, no se comportan de este modo, sino que el coeficiente de viscosi­ dad decrece a medida que aumenta la veloci­ dad de flujo; es decir, siguen un comportamien­ to pseudopUsdco. La viscosidad de los fluidos proteicos está di­ rectamente relacionada con el diámetro aparen­ te de las moléculas dispersas, que a su vez de- pcnuc uc ,as miú„ ¿ i .s.t.sj propias de cada pro- teína (masa, volumen, estructura, cargas eléc­ tricas, etc.), de ¡as interacciones proteína-agua (determina el {linchamiento de las moléculas) y de las interacciones protefna-proteína (influye en el tamaño de los agregados). Por tanto, la pérdida de viscosidad de los fluidos proteicos está siempre determinada por la disminución del diámetro aparente de las moléculas. Al igual que todas las propiedades funcio­ nales en las que influye la interacción entre moléculas proteicas y el agua, la viscosidad se ve afectada por el pH, temperatura, concentra­ ción proteica y concentración salina, debido a que todos estos factores llevan consigo la rotu­ ra de puentes de hidrógeno o disulfuro, con lo que se modifica el diámetro aparente. Cuando se agitan algunas disoluciones pro­ teicas, su viscosidad disminuye; sin embargo, al permanecer un tiempo en reposo la viscosidad se recupera hasta su estado inicial. Este fenó­ meno, llamado tixotropCa, se explica por la ro­ tura de los puentes de hidrógeno entre las ca­ denas laterales ai agitar el fluido, que después se restablecen cuando se mantiene en reposo. El tiempo puede influir en la viscosidad-de los fluidos proteicos, además de por la tixotropCa, por los cambios que pueden producirse cuando los grupos tioi y disulfuro están en contacto con el aire y porque los fenómenos de equili­ brio no se establecen instantáneamente. La viscosidad de los sistemas proteicos es una propiedad muy importante en los alimen­ tos líquidos como cremas, sopas, salsas, etc. Un mayor conocimiento d ; ésta permitirá mejorar aquellas operaciones que implican transferen­ cia de masa y/o calor como refrigeración, ato­ mización, operaciones de mezcla, etc. Hasta ahcir, no se ha podido establecer una correlación estricta entre solubilidad y viscosi­ dad ya que hay proteínas, como las del lacto- suero, que son muy solubles, presentan poca capacidad de absorción de agua y poca viscosi­ dad, mientras que otras, como los caseína tos, son muy solubles, tienen gran capacidad de ab­ sorción de agua y presentan viscosidad eleva­ da. También es cieno que se ha observado una correlación positiva entre absorción de agua y viscosidad en numerosas proteínas. 4 .6 . Gelificación La gelificación proteica consiste en la forma­ ción de una red proteica ordenada a partir de proteínas previamente desnaturalizadas. La ge- lificación desempeña un papel fundamental en algunos alimentos como productos lácteos, pro­ ductos cárnicos cocidos, gelatinas, masa de pan, etc., influyendo, además, en otras propiedades funcionales como la absorción de agua y la for­ mación y estabilización de espumas y emulsio­ nes. Para que se forme un gel proteico es nece­ sario que haya una desnaturalización y agrega­ ción posterior de forma ordenada en la que predominan las interacciones proteína-proteí- na. Los pasos a seguir son los siguientes: a) Desnaturalización proteica; puede lo­ grarse por tratamiento térmico, hidrólisis enzimática, acidificación o alcalinización. b) Desplegamiento de las moléculas protei­ cas; en la proteína nativa, los grupos hi­ drófobos se encuentran orientados hacia el interior de la molécula, y quedan al descubierto durante el desplegamiento, con lo que se potencian las interacciones entre proteínas. e) Interacción proteína-protsma. d) Agregación posterior. En la formación de las redes proteic a que constituyen e l gel, tiene que haber nn equili­ brio entre tas fuerzas atractivas y repulsivas de fas cadenas "poHpeptfclicas. Las fuerzas atracti­ vas entre las cadenas son las siguientes: a) Interacciones hidrofóbicas: se ven poten­ ciadas por las altas temperaturas. b) Interacciones electrostáticas: puentes de cationes divalentes, como por ejemplo, puentes de Ca2\ c) Puentes de hidrój sno. potenciados por el enfriamiento; si son dominantes se producen geies que. se funden por calor y gelifican en frío. Sm . por lo tanto, geles reversibles. d) Puentes disulfuro: dan lugar a la forma­ ción de geles térmicamente irreversibles. Las fuerzas repulsivas de las cadenas están representadas por las interacciones proteína- agua y por las cargas electrostáticas del mismo signo, que aparecen a vj.lores de pH alejados de su punto isoeléctrico. Al igual que en otras propiedades funciona­ les, en la formación de un gel proteico influyen diversos factores como pH, concentración pro­ teica, concentración sali.ia y temperatura, ya que como se ha indicado anteriormente, todos ellos afectan a las interacciones proteína-agua o proteína-proteína. Cualquier factof que potencie el contacto entre proteínas va a favorecer la gelificación, como ocurre con la concentración proteica. Si hay una concentración de proteínas muy eleva­ da puede haber gelificación incluso en coadi­ ciones poco favorables. La gran capacidad de retención de agua que presentan los geles está directamente relacio­ nada con el tiempo que se invierte en la etapa de agregación con respecto a la desnaturaliza­ ción. Si se forman rápidamente se obtienen ge­ les desordenados, poco elásticos, opacos y con la capacidad de retención de agua disminuida, debido a que la cadena polipeptídica no ha po­ dido agruparse de una forma ordenada. Si, por el contrario, la agregación se realiza lentamen­ te, los polipéptidos parcialmente desplegados se orientan más fácilmente antes de la agrega­ ción final y el sesuitndo es un gel ordenado, elástico, transparente y estable a la sinéresis y exudación. En la desnaturalización previa, los enlaces peptídicos que quedan al descubierto se transforman en puntos cargados positiva o negativamente {CQ- y NH*) y van a poder re­ accionar con las moléculas de agua que, a su vez, mediante nuevos puentes de hidrógeno. van a generar la estructura necesaria para que haya agua inmovilizada. Además, la capacidad de retendón de agua se ve potendada por fe­ nómenos de capitalidad debido a los poros que se forman en la gelificación. En los geles en los que la desnaturalizadón se logra por un tratamiento térmico, se observa que cuanto mayor es la temperatura, mayor es la firmeza del gel y menor la capacidad de re­ tendón de agua debido a que el gel formado es heterogéneo y los agregados proteicos presen­ tan poros rellenos de fase acuosa, que es fácil- mente extrafble. El aumento de la temperatura favorece las interacdones proteína-proteína (al desplegarse las moléculas proteicas aumenta la exposición de los grupos hidrófobos) y, por lo tanto, disminuyen las interacciones proteína- agua (son inversas a las interacdones protei­ cas). Además, se favorece la formación de puentes disulfuro, con lo que»se refuerza la red intermolecular y la gelificación tiende a ser irreversible. Los geles obtenidos por calentamiento pue­ den dasificarsc en dos grandes grupos, según la composición en aminoáddos de las proteínas: a) Geles formados por proteínas con eleva­ da proporción de aminoácidos hidrófo­ bos (tipo ovoalbúmina). Si se encuentran a baja concentradón pueden precipitar y formar agregados. Si la concentración de proteínas es elevada, dan lugar a la for­ mación de un gel opaco debido a que se forma rápidamente y las moléculas no se orientan adecuadamente. b) Geles formados por proteínas con baja proporción de aminoácidos hidrófobos (tipo gelatina). Si están en pequeña can­ tidad permanecen solubles durante el ca­ lentamiento, mientras que a concentra­ ciones elevadas dan lugar a geles claros, reversibles y elásticos debido a que se forman más lentamente. Para valorar la calidad de los diferentes ge­ les hay que tener en cuenta: a) Condiciones que permiten la formación de un gel (concentradón de proteina, pH y temperatura). b) Transparencia del gel. c) Resistenda del gel. d) Grado de desestabilizadón (fusión, siné­ resis, exudadón). La gelificación proteica es una propiedad fundonal con grandes aplicaciones en Tecnolo­ gía Alimentaría ya que se aplica no sólo en la formadón de geles viscoelásticos sino también para mejorar la absorción de agua, viscosidad, adhesión entre partículas y por contribuir a la estabilización de emulsiones y espumas. Las proteínas alimentarías que presentan mejores propiedades gelificantes son: a) Proteínas mioftbrilares: la gelificación térmica de estas proteínas es fundamen­ tal en la textura de numerosos productos cárnicos. Asi, por ejemplo, influye en la textura de las carnes reestructuradas y ayuda a estabilizar la emulsión de las sal­ chichas y otros productos cocidos. b) Las núcelas de caseína, al ser capaces de gelificar y provocar una coagulación, se utilizan para la preparación de cuajadas y elaboración de quesos, leches fermen­ tadas y postres lácteos. c) Las proteínas de lactosuero presentan buenas propiedades gelificantes a tem ­ peraturas de 70-80 °C. Se utilizan en la elaboración de postres lácteos, yogures y requesón. d) Las proteínas de la clara de huevo pre­ sentan las mejores propiedades gelifi­ cantes, por lo que se utilizan de forma habitual como agente ligante en la fa­ bricación de derivados cárnicos, paste­ lería, etc. 4.7. Formación de pastas proteicas Las proteínas del gluten se caracterizan por­ que al amasarlas en contacto con agua y a tem­ peratura ambiente, forman una masa viscoelás- :ica con unas propiedades especiales que son la base de la panificación. El comportamiento particular de estas protefnas radica en que se orientan y se despliegan parcialmente durante el amasado. De esta forma, se potencian las in­ teracciones interproteicas y los puentes disulfu­ ro, formándose una red estructural tridimen­ sional y viscoelástica. La gran capacidad de absorción de agua y la poca solubilidad que presentan se explica por la composición característica de estas proteí­ nas, ya que tienen gran cantidad de aminoáci­ dos con tendencia a formar puentes de hidró­ geno y pocos aminoácidos ionizables, con lo que disminuye la solubilidad en disoluciones acuosas. Las diferencias entre ios distintos ti­ pos de harina radica en la distinta proporción de las proteínas del gluten: gluteninas y gliadi- nás. Las gluteninas proporcionan elasticidad y cohesión a la masa panana mientras que las ' gliadinas son las responsables de la fluidez, ex- tensibilidad y expansión de la masa. Se requie­ re un equilibrio entre los dos tipos de proteínas para obtener una buena masa de panadería. 4.8. Texturización Puede decirse que las proteínas son las res­ ponsables de la estructura física de muchos ali­ mentos. Por ello, la texturización de éstas es de gran importancia ya que proporciona cuerpo a nuevos productos elaborados fundamen­ talmente a base de protefnas (por ejemplo, su- rimi). El proceso de texturización se produce por el despliege de las cadenas polipeptídicas de las protefnas globulares (por rotura de los enlaces intramoleculares) y posterior estabili­ zación de estas cadenas estiradas mediante la creación de enlaces intermoleculares. El pro­ ducto final presenta una buena capacidad de retención de agua que se mantiene aunque el producto se someta a diferentes tratamientos térmicos. La texturización es, por lo tanto, un proceso en el que las proteínas globulares se transforman en fibrilares, con lo que aumentan sus aplicaciones en Tecnología Alimentaria. La modificación de la estructura se puede lograr por diferentes vías. Aquí se indicarán las dos más importantes: A ) Proceso de hilado o formación de fibras: los concentrados proteicos debea contener al menos un 90% de proieína. En primer lugar hay un desplegamiento de las moléculas que se consigue por repulsión electrostática (aumentando el pH). Así, se lo­ gra el total desdoblamiento de las cadenas poli­ peptídicas y una viscosidad elevada. A conti­ nuación, se hace pasar la disolución proteica a través de unos orificios bajo presión para con­ seguir una alineación de las fibras. Posterior­ mente, se favorece la coagulación de las proteí­ nas potenciando la interacción proteína-pro- teína mediante el aumento de la dbncentradón salina y ajustando ¿1 pH al punto isoeléctrico. Las proteínas coaguladas se estiran mediante un sistema de rodillos como si fueran fibras fa­ voreciendo así la formación de enlaces inter­ moleculares. Esta cristalización parcial permite aumentar la firmeza mecánica y el carácter masticable pero puede disminuir ligeramente la capacidad de retención de agua. Estas fibras se comprimen para eliminar parcialmente el agua y favorecer la adhesión; a continuación, se calientan y trocean. Antes del calentamien­ to, se pueden incorporar agentes ligantes y otros aditivos alimenticios como aromatizan­ tes, sabo rizantes, etc. B) Extrusión termoplástica: En este caso se puede partir de disoluciones proteicas coa me­ nor cantidad de proteína (50-70%). La solu­ ción proteica hidratada se somete a presiones y temperaturas elevadas durante un corto perío­ do de tiempo hasta conseguir una pasta visco­ sa. A continuación, se somete a-una-extrusión rápida a través de una hilera (placa perforada) volviendo a la presión atmosférica, con lo que el agua se evapora instantáneamente. En este momento, las moléculas proteicas están desdo­ bladas y orientadas en la dirección del flujo al pasar por la hilera. Cuando la masa proteica esti Cría adquiere una estructura fibrosa y elás­ tica con una masticabilidad parecida a la de la carne. Con este método no se forman fibras bien definidas sino únicamente partículas de naturaleza fibrosa que después de rehidratadas poseen una estructura masticable. Aunque actualmente se obtienen productos de buena calidad a partir de proteínas texturi- zadas, no cabe duda que es necesario profundi­ zar en el conocimiento de las modificaciones fí­ sicas y químicas que tienen lugar durante este proceso, para obtener alimentos con mejores propiedades. 4.9. Propiedades surfactantes de las proteínas Las emulsiones y espumas alimenticias son sistemas dispersos de dos fases inmiscibles en­ tre sí e inestables a me/tos que haya sustancias anfifílicas en la interfase que disminuyen la ten­ sión interfacial y evitan la coalescencia de las gon s dispersas. Las proteínas poseen estas ca­ racterísticas ya que migran a la interfase estabi­ lizando el sistema porque disminuyen la tensión superficial; es decir, actúan como agentes ten­ sóse tivos. Para que una proteína tenga buenas carac­ terísticas espumantes y/o emulsionantes debe presentar dos características: a) Buena hidrofobicidad de superficie. ó; Alto grado de flexibilidad. lo d o ello permitirá una buena difusión de la proteina hacia la interfase aire/agua o acei­ te/agua donde debe desdoblarse, concentrarse y extenderse rápidamente para poder disminuir la tensión superficial. Cuando una molécula proteica entra en contacto con la interfase, los restos de los aminoácidos no polares se orien­ tan hacia la fase no acuosa y la proteina se ad­ sorbe espontáneamente. Durante la adsorción (as proteínas se despliegan y si hay espacio sufi­ ciente se colocan en una capa monomolecular resistente, cohesiva y elástica (figura 4.2). Aunque la formación de una espuma y de una emulsión soa muy parecidas no hay una FASE NO ACUOSA (1> m (3) FiGUtA 4.2. Representación esquemática de la conformación de una proteina en lo interfase. (I) Proteina en una solución acuosa. (2) Proteina próxima a la interfase. (3) Molécula proteica desplegada y adsorbida a la interfase, formando una monocapa. (*): grupos hidrófobos, (O): grupos polares. ° , . 5 • • o . ¿ . 0< O 0t \ Q . 0 , ° . O . • I I I q o »«o«o o * ♦0» >0 • O q Q Q o 9 » S«d¡m8ftUdóo BocuUoón ColisiónI 1 I n o o o o o O o Coalascanda correlación estricta entre las propiedades emulsionantes y espumantes de las protefnas. de tal forma que una protefna con buenas pro­ piedades emulsionantes no tiene por qué ser necesariamente un buen agente espumante. Este hecho parece deberse a que la estabiliza­ ción de espumas requiere una estructura pro­ teica más compleja que la estabilización de emulsiones. 4.9.1. Propiedades emulsionantes Las emulsiones son sistemas dispersos de dos líquidos poco solubles o insoluoles entre ellos. Algunas pueden presentar burbujas de gas o sólidos dispersos. Hay muchos ejemplos de emulsiones alimenticias donde las proteínas actúan como emulsificantes, entre ellos están la leche, mantequilla, margarina, mahonesa, salc­ hichas, helados, salsas, etc. (véase cuadro 4.1). Normalmente, la fase dispersante es agua y la dispersa un aceite; en este caso se hablaría de emulsiones O/W, por ejemplo, leche y ma­ honesa. También puede ocurrir la situación contraria, agua dispersa en aceite (emulsión W/O), el ejemplo más claro es la mantequilla y la margarina. Las emulsiones alimentarias tienden a desestabilizarse mediante tres mecanismos (fi­ gura 4.3): a) Separación de las fases por sedimenta­ ción. Las gotas dispersas tieneo distinta densidad que la fase dispersante, por lo que puede haber sedimentación y sepa­ ración de las fases debido a la fuerza de la gravedad. La velocidad a la que se produce es directamente proporcional al tamaño de las gotas de la fase dispersa e inversamente proporcional a la viscosi­ dad de la fase continua o dispersante. Cumple la Ley de Stokes, cuya expresión matemática es: v = 2r2gA p/9p FIGURA 4.3. Esquema de los posibles meconismos de desestobilización de una emulsión alimenticia. donde: v = velocidad de sedimentación de las gotas de la fase dispersa. r = radio de la gota de la fase dispersa. g - aceleración de la gravedad. Ap = diferencia de densidad entre la fase dispersante y la dispersa. p = coeficiente de viscosidad de la fase dis­ persante. b) Por flocülación de las gotas debido a una supresión de las cargas eléctricas con la consiguiente inhibición de las repulsio­ nes electrostáticas. Las gotas se unen unas a otras quedando separadas por una capa finísima de la fase continua. Mediante la flocülación se aumenta el ta­ maño aparente de las gotas y, por lo tan­ to. la velocidad de sedimentación. Los glóbulos se mueven como un conjunto en vez de individualmente. La flocula- dón no implica una ruptura de la pelícu­ la interfacial que rodea al glóbulo y, por lo tanto, no cabe esperar un cambio en el tamaño de los glóbulos originales. c) Por coalescenda de las gotas se aumenta el tamaño real de éstas, pudiéndose lle­ gar a la separación de las dos fases en dos capas separadas por una interfase de superficie mínima. Implica, por lo tanto, la ruptura de la película interfacial, el agrupamiento de los glóbulos y la reduc­ ción del área interfacial. Normalmente está motivada por choques durante una agitación mecánica. Para evitar la desestabilizadón rápida de las emulsiones se suelen usar agentes emulsionan­ tes que permiten ampliar significativamente la vida útil de las emulsiones. Entre ellos, cabe d - tan a) Electrolitos minerales que aportan car­ gas electrostáticas a las gotas dispersas, para aumentar la repulsión. Este meca­ nismo es más importante en las emulsio­ nes de aceite en agua. b) Materias insolubtes muy divididas, ad­ sorbidas a la interfase formando una barrera física contra la coalescenda; por ejemplo, arcillas, polvo de sflice y sales básicas de metales. En este caso, la esta­ bilidad de la emulsión depende de la ca­ pacidad de las dos fases para contactar con las partículas sólidas. c) Moléculas tensoactivas, como son las proteínas, que se orientan de forma que se colocan sus extremos hidrófobo e hi­ drófilo en las superficies de la interfase aceite/agua, respectivamente. El acumu­ lo de estas moléculas en la interfase dis­ minuye la tensión superficial. d) Estabiiizadón mediante cristales líqui­ dos: las interacciones que se crean entre el emulsionante, el aceite y el agua dan lugar a la formación de una multicapa con estructura de cristal líquido alrede­ dor de las gotitas. Esta barrera da lugar a una mayor estabilidad de la emulsión. e) Macromoléculas disueltas en la fase con­ tinua, con lo que aumentan la viscosidad de esta fase (polisacárídos espesantes) o se adsorben a 1* interfase (proteínas so­ lubles en agua) formando una barrera frente a la coalescenda. La calidad de las emulsiones alimenticias viene determinada por el diámetro de las gotas dispersas y su distribudón homogénea. Puede medirse por diferentes métodos como son mi­ croscopía, difusión de la luz, sedimento por centrifugación o mediante el contador Coulter (mide el paso de las gotas a través de diáme­ tros conoddos). Para establecer las propiedades emulsio­ nantes de las proteínas se suelen hacer dos de- terminadones: a) Capacidad emulsionante (CE): son los mi de aceite que pueden emulsionarse por gramo de proteina, antes de que se invierta la fase. Se agita una dispersión proteica y se va añadiendo aceite conti­ nuamente a una velocidad constante. La inversión de la Í2se se observa por una fuerte caída de la viscosidad o cambio de color (si hay colorante tiposoluble). Ca­ da emulgente puede emulsionar una can­ tidad limitada de líquido, es decir, tiene una determinada capacidad que, si se so­ brepasa, se rompe la emulsión. b) Estabilidad de una emulsión (ES) des­ pués de una centrifugación a poca veloci­ dad o una decantación durante varias horas. La estabilidad se expresa como porcentaje de disminución del volumen de la emulsión inicial. ES= (volumen emulsión final/volumen emulsión inicial) x 100 Entre estas dos propiedades no hay una correlación estricta. En las emulsiones estabilizadas por protef­ nas influyen factores extrínsecos como son, en­ tre otros, el equipo utilizado para formar la emulsión, el aporte energético y la velocidad de adición de la fase hidrófoba. También influyen factores intrínsecos propios de cada proteína: a) Solubilidad de la proteína: las proteínas más solubles presentan mejor capacidad emulsionante y son buenas estabilizado- ras de una emulsión, debido a que éstas deben disolverse y emigrar a la interíase para que actúen sus propiedades superfi­ ciales. b) pH: la influencia del pH depende del tipo de proteína. Así, mientras que ciertas pro­ teínas presentan la capacidad emulsionan­ te óptima en el punto isoeléctrico (proteí­ nas de la clara de huevo), otras se compor­ tan mejor a medida que el pH se aleja de éste (caseínas, proteínas del lactosuero). c) Temperatura: al aumentar la temperatu­ ra se reduce la estabilidad de una emul­ sión ya que disminuye la viscosidad y la rigidez de la película proteica adsorbida a la interíase. i ) Concentración de proteínas: conforme aumenta la concentración proteica au­ menta la estabilidad de la emulsión por­ que la película que separa las gotitas de la fase dispersa presenta un mayor espesor. Como se ha visto, son muchos los factores que intervienen en la formación y estabiliza­ ción de las emulsiones, por lo que es muy difí­ cil hacer generalizaciones. Sin embargo, puede decirse que las proteínas con mejores propie­ dades emulsionantes son aquellas que presen­ tan una gran solubilidad, una estructura diso­ ciada y desplegada y una buena hidrofobicidad. Entre las proteínas con mejores propiedades emulsionantes están los caseinatos. Las proteí­ nas globulares que poseen una estructura esta­ ble y gran hidrofobicidad de superficie (proteí­ nas del lactosuero, lisozima, ovoalbúmina) son emulsionantes mediocres a menos que puedan desplegarse mediante algún tratamiento sin perder la solubilidad. 4.9.2. Propiedades espumantes Las espumas alimenticias son dispersiones de gotas de gas (aire o C 0 2) en una fase conti­ nua líquida o semisólida, formada por las lla­ madas laminillas. Lo mismo que en las emul­ siones, hay que aportar una energía mecánica para crear una interíase y, además, se requiere de la presencia de agentes de superficie que disminuyan la tensión superficial para evitar la coalescencia de las burbujas de gas. Hay muchos alimentos que son espumas: merengue, nata batida, pan y otros productos (véase cuadro 4.1). En la mayoría, las proteí­ nas son los agentes-que ayudan a la formación y estabilización de la fase gaseosa dispersa, formando una barrera protectora elástica en­ tre las burbujas de gas atrapadas. Una distri­ bución uniforme y un tamaño reducido de las burbujas de gas dan lugar a un alimento suave y ligero y con mayor intensidad de aroma. El tamaño de estas burbujas es variable y depen­ de de diversos factores, como la viscosidad de la fase líquida, el aporte de energía, la tensión superficial, etc. Las espumas alimenticias son bastante ines­ tables porque presentan una gran superficie en la interíase. La desestabilización se debe fun­ damentalmente a: a) Pérdida del líquido de la lámina por gra­ vedad, diferencia de presión o evapora­ ción. Esta pérdida es menor cuanto ma­ yor es la viscosidad de la fase líquida y el espesor de las proteínas adsorbidas a la interíase. b) Difusión del gas de las burbujas peque­ ñas hacia las grandes, que se produce siempre que hay una disolución del gas en la fase acuosa. c) Rotura de la laminilla líquida que sepa­ ra la fase gaseosa, lo que provoca un aumento del tamaño de las burbujas por coalescencia y, como consecuencia, se pie :de la estructura de la espuma. La estabilidad de las espumas se ve poten­ ciada por una baja tensión entre las dos fases, una gran viscosidad de la fase líquida y por pe­ lículas de proteína adsorbidas, resistentes y elásticas. Para poder valorar las propiedades espu­ mantes d ; las proteínas es necesario tener en cuenta tres parámetros: a) Capacidad de formación de espumas: es el área interfacial que una proteína pue­ de crear. Puede medirse determinando el vol-imen de la espuma en reposo (re­ lación entre el volumen de la espuma y el volumen de la fase líquida inicial) y el poder espumante (relación entre el volu­ men de gas en la espuma y el volumen de líquido en la espuma). b) Estabilidad de la espuma: es la capaci­ dad de una proteína determinada para estabilizar una espuma frente a fenóme­ nos de gravedad o.fenómenos mecáni­ cos. Se expresa como el tiempo necesa­ rio para que se elimine el 50% del líqui­ do de la espuma. c) Firmeza de la espuma: es la capacidad que tiene una columna de espuma para sopor­ tar una masa determinada. Se determina midiendo la viscosidad de la espuma. Las propiedades espumantes de las diferen­ tes proteínas se comparan frente a las de una proteína patrón, que suele ser la ciara de huevo. Al igual que otras propiedades funcionales, la capacidad de formar espumas alimenticias se ve afectada por diversos factores. Así, a medida que aumenta la concentración de proteínas lo hace también la estabilidad de la espuma for­ mada debido a que aumenta la viscosidad de la fase líquida y, por lo tanto, el espesor de la pe­ lícula adsorbida; sin embargo, no se ve afectada la capacidad de formación de espumas. El pH es otro factor que influye en la capa­ cidad espumante. En términos generales, se ad­ mite que una proteína soluble debe presentar una buena capacidad espumante y una buena estabilidad. Sin embargo, las espumas estabili­ zadas por proteínas presentan la mayor estabi­ lidad en el punto isoeléctrico, lo que se debe a que las atracciones electrostáticas intermole­ culares que se producen a estos valores del pH son máximas y aumentan el espesor y la rigi­ dez de las proteínas adsorbidas en la interfase aire/agua dando como resultado una mayor es­ tabilidad. Las proteínas son poco solubles en el punto isoeléctrico y sólo la fracción soluble in­ fluye en la formación de la espuma. Como la concentración de ésta es muy baja, la cantidad de espuma que se forma es pequeña, pero la estabilidad es alta. La fracción insotuble no contribuye a la formación de espuma pero la adsorción de una proteína insoluble puede es­ tabilizarla, debido al incremento de las fuerzas de cohesión en la película de proteína. A un pH diferente del punto isoeléctrico la capaci­ dad de formación de espuma es buena, pero la estabilidad es menor. No obstante, hay proteí­ nas que presentan una buena estabilidad a cualquier valor de pH. La presencia de sales en una disolución pro­ teica influye en la solubilidad, viscosidad, des­ doblamiento y agregación de proteínas, por lo que afecta también a sus propiedades espu­ mantes. Este efecto depende del tipo de sales y de la solubilidad de las proteínas en esa disolu­ ción salina. Así, el NaQ reduce la estabilidad de las espumas debido a que provoca un des­ censo de la viscosidad. La presencia de iones Ca2* mejora la estabilidad al interaccionar con los grupos carboxílicos de las proteínas. La adición de azúcares a una espuma pro­ teica mejora su estabilidad debido a que incre­ menta la viscosidad y, por lo tanto, reduce la pérdida del líquido de las laminillas. La presencia de Ifpidos, aunque sea en can­ tidades muy pequeñas, modifica las propieda­ des espumantes de ias proteínas ya que »c colo­ can en ia interíase aire/agua e impiden la ad­ sorción de las proteínas durante 1a formación de espuma. Al estudiar las propiedades espumantes de las proteínas es necesario distinguir entre las características requeridas para la formación de espumas y las necesarias para que una proteína proporcione una buena estabilidad. Estas dos características se deben a diferentes propieda­ des de las proteínas que, a menudo, pueden ser antagónicas. Una determinada proteína puede tener una buena capacidad espumante si su molécula es flexible y, por lo tanto, se extiende rápidamente en la interíase y si presenta un alto grado de h¡- drofobicidad ya que así mejora su orientación. Sin embargo, para que la espuma sea estable, es necesario que alrededor de cada burbuja de gas se forme una película proteica espesa, con­ tinua, elástica e impermeable al aire. Todo ello está relacionado coa la concentración de pro­ teínas, las interacciones intermoleculares y la capacidad de hidratación. Así, la ^-caseína, que presenta una estructura poco ordenada, hace disminuir rápidamente la tensión superficial y facilita la formación rápida de espuma aunque la película proteica que se forma en la interíase es fina y la estabilidad mediocre. De forma opuesta, la x-caseína se extiende poco en la in­ teríase porque presenta una estructura más rí­ gida, por lo que la formación de espuma es más lenta, aunque la película que se forma es com­ pacta y resistente y la espuma resultante más estable. '" L a * proteínas alimenticias que presentan buenas propiedades espumantes son la dara de huevo, hemoglobina, gelatina, proteínas de lac­ tosuero y proteínas de trigo, entvc otras. 4.10. Fijación de aromas Aunque las proteínas son compuestos ino­ doros. son muy susceptibles de captar aromas, por lo que este fenómeno incide poderosa­ mente en las propiedades sensoriales de las proteínas. La capacidad de fijar aromas tiene dos ver­ tientes: por un lado, puede resultar no deseable cuando se añaden proteínas a un nuevo pro­ ducto para mejorar la textura y no se pretende modificar el sabor original. Sin embargo, puede resultar beneficioso en aquellos casos en que se quiera modificar el sabor, por ejemplo, en los productos aná'ogos de carne elaborados a base de proteínas vegetales texturizadas, en los que es fundamental simular el sabor a carne. Por ello, resulta de gran interés saber exac­ tamente cuál es el mecanismo por el que estos compuestos se unen a las proteínas para poder facilitar su eliminación o, por el contrarío, fa­ vorecer su fijación y posterior liberación du­ rante la masticación. La fijación de compuestos volátiles a las proteínas sólo ocurre si hay lugares disponi­ bles, es decir, si no están bloqueados por interacciones proteicas o de otra naturaleza. Sin embargo, los compuestos apolares sí pue­ den reaccionar con el interior hidrófobo de una proteína desplazando la interacción pro- teína-proteína, lo que puede dar lugar a una desestabilización o una modificación de la so­ lubilidad. Cualquier factor que modifique la confor­ mación proteica influye en la fijación de los compuestos volátiles. Entre ellos: a) La presencia de agua aumenta la fijadóa de sustancias volátiles polares pero casi no afecta a los compuestos apolares. Se debe a que el agua favorece la movilidad d? los compuestos volátiles polares para encontrar lugares de fijación. ¿i Lo» compuestos que tienden a disociar ias proteínas o reducir las uniones disul­ furo mejoran la fijación de sustancias vo­ látiles, porque disminuyen las interaccio­ nes hidrófobas. c) Una fuerte proteolisis disminuye la fija­ ción de compuestos volátiles. Así, la pro­ teolisis de la proteína de soja es una ope- radón habitual para eliminar su sabor característico. d) La desnaturalización proteica por el ca­ lor aumenta !a fijación de compuestos volátiles al aumentar el número de enla­ ces hidrófobos disponibles. e) Los procesos de deshidratadón, como la liofilización, liberan los aromas ligados a las proteínas. La retendón de compues­ tos volátiles mejora cuando las presiones de vapor son bajas y están a baja concen­ tración 4.11. Modificaciones en las propiedades funcionales de las proteínas sometidas a procesos tecnológicos Los diferentes procesos a los que se some­ ten los alimentos durante su elaboradón pue­ den modificar la funcionalidad de sus proteí­ nas. Los cambios producidos están directamen­ te reladonados con el tipo y la intensidad del tratamiento aplicado. Si son moderados afecta­ rán sólo a la conformación de las proteínas mientras que los tratamientos muy intensos pueden alterar también la estructura primaria. Los tratamientos térmicos pueden provocar en tas proteínas alteraciones en las cadenas la­ terales de los aminoácidos, hidrólisis de los en­ laces peptídicos y cambios estructurales. Las modificaciones ocasionadas dependerán, ade­ más, de la intensidad del tratamiento aplicado, de las condiciones ambientales (pH, concentra­ ción iónica y contenido en agua) y de la natura­ leza de la proteína; así, por ejemplo, cuando el colágeno se calienta a temperaturas superiores a 65 *C en presencia de agua, sufre un desple­ gamiento y aumenta su solubilidad. Por el con­ trario, las proteínas miofibrilares. en las mis­ mas condidooes, se contraen, pierden su capa­ cidad de retención de agua y pueden formar agregados. Las temperaturas de congelación también pueden afectar a las propiedades funcionales de las proteínas, ya que la capacidad de forma­ ción de puentes de hidrógeno entre proteínas y agua está reducida mientras que se potencian las interacciones proteína-proteína. Como re­ sultado se observa una disminución de la capa­ cidad de retención de agua y una mayor preci­ pitación y gelificación de ciertas proteínas. Los tratamientos mecánicos de reducción de tamaño, concretamente la molienda de cereales o concentrados proteicos, favorecen la absorción de agua o grasa, la solubilidad y las propiedades espumantes debido a que aumenta la superficie proteica expuesta. Igualmente, durante la homo- gsneizadón de la leche hay una fragmentación parcial de las núcelas en subunidades y, como consecuencia, mejora su capacidad emulsionan­ te. Si las fuerzas de cizalla se aplican de una for­ ma intensa a una espuma alimenticia puede re­ sultar un sobrebatido y dar lugar a una desnatu­ ralización parcial de las proteínas con la consiguiente pérdida de la capacidad espuman­ te. Las fuerzas de cizalla que se aplican en la tex- turizadón dan como resultado el alineamiento de las moléculas proteicas fávoredendo la for- madón de enlaces disulfuro y redes proteicas. En los procesos de deshidrataaón aumenta la concentración de los componentes no acuo­ sos, por lo que se pueden potendar las interac- dones proteína-proteína, sobre todo si la eümi- nadón del agua se realiza mediante la aplica- dón de temperaturas elevadas. El resultado es una pérdida de solubilidad y una disminudón de las propiedades surfactantes. Bibliografía BELITZ, H. D. y GROSCH. W. (1997): Química de tos alimentos. 2.* ed. Acribia. Zaragoza. CHEFTEL. J. C.; CUQ, J . L y LORIENT, D. (1989): Proteínas alimentarias. Acribia. Zaragoza FENNEMA. 0. R. (1996): Food chemistry. 3.* ed. Marcel Dekker. Inc. Nueva York. 1. la» proteínas jon componente» moyoritarios de los olimentos que influyen directamente en su» características sensoriales y, por lo tonto, en su aceptabilidad. Los alimentos de origen animal poseen un gran contenido en proteinas, lo que les confiere un gran valor nutritivo. Las propie­ dades Funcionales de las proteínas dependen de su composición omínoacidica y de la disposición de los enlaces que estabilizan su estructura. Dicha» propiedades son muy diversos pero se pueden clasificar en dos grandes grupos: pro­ piedades hidrodinámicas y propiedades ligada» a los fenómenos de superficie. 2. La solubilidad de las proteínas depende, además, de las propiedades fisicoquímicas de la molécula, pH, fuerzo iónica, temperatura y tipo de disol­ vente. Uno buena solubilidad permite una disper­ sión rápida y completa de lo» moléculas protei­ cos, lo que resulta esencial en la elaboración de diversos olimentos (bebidas, salsas, purés, etc.]. 3. la viscosidad de los sistemas proteicos está deter­ minada por el diámetro aparente de los moléculas que, a su vez, está relaciortodo con las caracterís­ ticas propias de cada proteina y con las interac­ ciones proteinoogua y proteino-proteina. 4. la gelificoción proteica consiste en la formación de una red proteica ordenada a partir da protei­ nas previamente desnaturalizadas. Desempeña un papel fundamental en alimentos, como diver­ sos productos lóeteos, productos cómicos coci­ dos, pan, etc. KINSELLA. J. E. y SOUCIE. W. G. (1989): Food proteins. The American Oil Chemists' Society. Champaigrr, IL. MAN. J. M. de (1990): Principies o f Food Che­ mistry. Van Nostrand Reinhold. Nueva York. POMERANZ; Y. (1991): Funcconat properties of food components. Academic Fress. San Diego. 5. Lo texturizoción es un proceso mediante el cual los proteinas globulares se transforman en fibri- bres, proporcionando asi una nueva textura a aquellos productos ebborados a base de pro­ teínas. 6. Muchos alimentos-(leche, helados, mantequilla, mahonesa) son mezclas de líquidos inmiscibles donde bs componentes proteicos desempeñan un popel preponderante en su estabilización. 7. las espumas alimenticias (merengue, pon, etc.) son dispersiones de gas en una fase continua liquida o semisólida. El gas es aire (a veces es dióxido de carbono) y la fase continua uno disolución acuosa que contiene proteínas, que son las responsables de su estebilidad. 8. Los proteínas son compuestos inodoros pero sus­ ceptibles de captar aromos, b que puede resul­ tar beneficioso en aquellos alimentos en bs que se pretende modificar el sabor. Sin embargo, puede ser perjudico! cuando se quiere modificar la textura mediante la adición de proteínas y mantener el sabor original. 9. Los diferentes procesos a los que se someten los olimentos durante su ebboraciórí puéden modifi­ car b funcionalidad de bs proteínas. Los cam­ bios producidos están directamente rebeionodos con el tipo y b intensidad del tratamiento apli­ cado. RESUMEN 5 CARBOHIDRATOS El presente capítulo trata de los carbohidratos y de sus propiedades ff- sico-quúnicas y funcionales de mayor interés en la Industria alimentaria. Igualmente, se estudian las transformaciones que sufren por acción del ca­ lor, fundamentalmente el pardeamiento no enzimitico. En la última parte del capitulo se hace una descripción de las características mis intere­ santes de los principales polisaciridos, con especial mención a los de ma­ yor interés en la industria alimentaria. Los carbohidratos son los primeros com­ puestos orgánicos que se producen a partir del dióxido de carbono y el agua, merced a la ra­ diación solar, en las células fotosincéticas de las plantas. De todas las sustancias orgánicas exis­ tentes, los carbohidratos son los más amplia­ mente distribuidos y los más abundantes, es­ tando presentes en los tejidos animales y vege­ tales asi como en los microorganismos. En los animales, el principal azúcar es la glucosa y el carbohidrato de reserva, el glucógeno; en las plantas existe una gran variedad de carbohi­ dratos siendo el almidón el de reserva por ex­ celencia. Los carbohidratos se consideran dentro del grupo de los nutrientes básicos y siempre han tenido una gran importancia en la alimenta­ ción; incluso aquellos no digeribles se conside­ ran de gran interés para una alimentación equi­ librada. Constituyen la principal fuente de energía en las dietas de la mayoría de los pue­ blos del mundo. Aunque las proteínas propor­ cionan la misma energía por gramo que los car­ bohidratos y las grasas unas diez veces más, los carbohidratos digeribles favorecen la moviliza­ ción de las grasas y reducen el gasto de proteí­ nas. Además de su valor nutritivo, contribuyen a que los alimentos sean más apetecibles y de aspecto más agradable. Los carbohidratos más utilizados por el hombre son el almidón y la sacarosa, por lo que las plantas que los contienen son las más cultivadas y consumidas; es importante tener en cuenta que los polisacáridos no digeribles (fibra) se deben ingerir diariamente para conseguir una actividad intestinal fisiológica correcta. 5.2. Clasificación de los carbohidratos La clasificación más sencilla los divide en tres grupos: monosacárídos, oligosacáridos y polisacáridos. Son polihidroxialdehídos (aídosas) o polihi- droxicetonas (cetosas) de cadena lineal. En la naturaleza, los monosacárídos más abundantes son las hexosas (6 carbonos) si bien también están presentes en muchas plantas los consti­ tuidos por otro número de carbonos (3 carbo­ nos, triosas; 4 carbonos, tetrosas; 5 carbonos, pentosas) así como compuestos derivados. Los representantes típicos son la glucosa, la fructo­ sa y la galactosa. Los monosacáridos se presentan en dos formas isoméricas denominadas a y P. La for­ ma a es aquella en la que el grupo hidroxilo del carbono en posición 1 de la proyección de Fischer está orientado a la derecha, mientras que si lo está a la izquierda se denomina isó­ mero p. Cuando están en solución, las formas isoméricas se encuentran en equilibrio y pro­ vocan cambios en la rotación específica de la solución. La isomerización de los monosacári­ dos, catalizada por una base o por una enzi­ ma, implica a un grupo carbonilo y al grupo hidroxilo más próximo, consiguiéndose con ello la transformación de cetosas en aldcsas y viceversa. Así, por isomerización, la glucosa se transforma en mañosa y fructosa (figura 5.1). H -C -O H— OH O H -t-H H-&-OH H—¿—OH I CHjOH O-Glucosa CHjOH H-C - O ¿ = 0 O H -¿-H OH—¿ - H OH— H H—C—OH H-ü:-OH H-C—oh H—t — CHjOH 0 -Ffuctosa OH I CHjOH D-M anosa riGuiA 5.1. Isomerización de la glucosa. 5.2.2. Oligosccáridas Son polímeros constituidos por un número variable de monosacirídos (2-20). El número y naturaleza de los posibles oügosacáridos es, por lo tanto, muy grande, pero sólo unos po­ cos se encuentran en grandes cantidades en los alimentos, y muchos de ellos son e! resul­ tado de la hidrólisis de los potsacáridos; están compuestos normalmente por glucosa, galac­ tosa y fructosa. Los más comunes son: sacaro­ sa, lactosa, maltosa, trehalosa (disacáridos), rafinosa (trisacárido) y estaquiosa (tetrasacá- rido). 5.2.3. Pottsocáridos Son polímeros formados por más de 20 mo- nosacáridos dispuestos en forma lineal o ra­ mificada. Si todos los monómeros constitu­ yentes son de un mismo azúcar, los polisacári- dos se denominan homoglicanos (celulosa, amilosa, amilopectina). Si son de diferentes azúcares, se denominan hereroglicanos (go­ mas). La consiguiente diversidad de polisacá- rídos en cuanto a su composición hace que las propiedades de estas moléculas de alta masa molecular sean muy distintas a las de los mo- nosacáridos que las constituyen; así, se disuel­ ven con mayor dificultad, no poseen apenas sabor dulce y sus reacciones son mucho más lentas. Los más comúnmente distribuidos en la naturaleza son: en el reino vegetal, el almi­ dón, la celulosa y las pectinas, y en el anima!, el glucógeno. 5.3. Propiedades fisicoquímicas y sensoriales de los monosaeáridos Seguidamente se va a realizar una breve descripción de las propiedades de los carbohi­ dratos de mayor interés en Tecnología de los Alimentos. 5.3.1. Higroscopicidad La capacidad de adsorción de agua es una de las propiedades fisicoquímicas más impor­ tantes de ios carbohidratos y depende, entre otros factores, de su estructura, de la mezcla de isómeros y de su pureza. La higroscopicidad está relacionada directamente con la presencia de grupos hidroxilo, los cuales son capaces de ligar agua mediante el establecimiento de puentes de hidrógeno. Los azúcares impuros y ios jarabes absorben más agua y a más veloci­ dad que los azúcares puros ya que las impure­ zas dificultar, el establecimiento de reacciones entre los azúcares y dejan libres los grupos hi­ droxilo que pueden unirse con facilidad a las moléculas de agua. Esta propiedad de los car­ bohidratos puede ser favorable en unos casos y desfavorable en otros. Es favorable si contribu­ ye a! mantenimiento de la humedad de algunos alimentos, como en_e[ caso de los productos de panadería y pastelería, ya que pueden formar una capa superficial que limita la pérdida de agua en el alimento. Es desfavorable, por ejemplo, en el caso de los productos granula­ dos o en polvo, en los cuales la entrada de agua conduce a la formación de aglomerados que li­ mitan la posterior solubilidad de los azúcares. 5.3.2. Mutarrofsción Cuando se prepara una solución acuosa de un azúcar, se observa la transformación de unos isómeros en otros. Esta transformación se ma­ nifiesta con un cambio en la rotación específi­ ca hasta que se alcanza un valor final que co­ rresponde al momento en el que las formas isoméricas se encuentran en equilibrio. Bajo condiciones normales pueden tardar varias ho­ ras en alcanzarse el equilibrio y, en consecuen­ cia, la rotación específica característica de la solución. El cambio de unas formas isoméricas en otras se sigue con facilidad por polarimelría, y los valores que se alcanzan son característicos para cada azúcar en unas condiciones determi­ nadas, ya que hay diferentes factores que influ­ yen en la mutarrotación; así, los ácidos y las ba­ ses actúan como catalizadores, siendo las bases las más efectivas ya que aumentan considera­ blemente la velocidad de reacción. La tempera­ tura influye también de forma notable en el proceso, aumentando la mutarrotación del o r­ den de 1,5 a 3 veces po: cada 10 °C de incre • mentó. Dependiendo del número de isómeros, se habla de mutarrotación simple (dos isóme­ ros) o compleja (más de dos). Un ejemplo característico de mutarrotación es el de la a-lactosa cuya rotación especifica a 15 *C varía desde +89“ ai principio hasta los +55* al final, es decir, cuando se alcanza el equilibrio con la forma P cuyo poder rotatorio es más bajo (+35*). En el momento del equili­ brio, las proporciones son de un 62% de P y un 38% de a-lactosa. 5.3.3. Estado vitreo El estado vitreo es un estado amorfo en el cual la viscosidad es tan alta que impide la cris­ talización del azúcar. Es un estado poco estable que puede alcanzarse por congelación, concen­ tración rápida o deshidratación de una solu­ ción así como por fusión térmica de algunos azúcares cristalinos seguida de un enfriamiento brusco que impide que las moléculas se reorga­ nicen y formen un cristal. Los azúcares en estado vitreo son higroscó­ picos, lo cual contribuye a su inestabilidad ya que, al retener el agua, aumenta su movilidad y, en consecuencia, la velocidad de cristali­ zación. El ejemplo más característico de la presen­ cia de azúcares en estado vitreo en un alimento es el de los caramelos duros, que no son más que soluciones sobresaturadas de sacarosa cu­ ya cristalización se ve impedida por la alta vis­ cosidad y rigidez en la masa y por la presencia de otros azúcares como glucosa y jarabes de glucosa. 5.3.4. Cristalización Una de las principales características de los azúcares es su capacidad de formar cristales. Generalmente,'la cristalización se coosigue en­ friando soluciones saturadas de los azúcares, con lo que se provoca la inmovilización y reor­ ganización de las moléculas, formándose un cristal. Los factores que más influyen en el cre­ cimiento de los cristales son los siguientes: gra­ do de saturación de la disolución original, tem­ peratura, naturaleza de la superficie del cristal y naturaleza y concentración de las impurezas presentes en la disolución, las cuales pueden adsorberse a la superficie del cristal reduciendo así su velocidad de crecimiento. El tiempo de cristalización también influye notablemente en el tamaño de los cristales ya que cuanto más lento es el enfriamiento, mayor es el tamaño de los cristales. Esto tiene un especial interés ya que no en todos los alimentos es deseable la presencia de cristales de un tamaño tan grande que puedan llegar a ser detectados por el pala­ dar,'es el caso, por ejemplo, de los grandes cris­ tales de lactosa que pueden aparecer en la le­ che condensada y que coofieren una textura arenosa que hace ai producto prácticamente rechazable. 5.3.5. Inversión de los azúcares Lajnversión de los azúcares, fundamen­ talmente de la sacarosa, coasiste en una hidró­ lisis de su molécula bien por vía erzimática (in- vertasa) o por procedimientos fisicoqufmicos como la hidrólisis con ácido clorhídrico a tem­ peratura elevada o la utilización de resinas sui- fónicas. El producto obtenido se conoce como azúcar invenido y se encuentra de forma natu­ ral en la miel. El término inversión hace re­ ferencia ai cambio que se observa en el poder rotatorio de la disolución cuando tiene lugar la hidrólisis; por ejemplo, la rotación específica de una disolución de sacarosa es de +664®, mientras que la del azúcar invertido es -20°. El teñóm e no de ¡a inversión provoca un aumento del sabor dulce y sobre todo un aum ento de la solubilidad del azúcar debido a que la fructosa libre es m ás soluble que la sacarosa. Este he­ cho es interesante porque aumenta la posibili­ dad de increm entar la concentración de azúca­ res en una solución. 5.3.6. Poder edulcorante Una de las propiedades más reconocidas de los carbohidratos es su poder edulcorante. Sal­ vo muy pocas excepciones, los mono- y oligosa- cáridos poseen sabor dulce y se diferencian en­ tre si, en tre o tras cosas, por su poder edulco­ rante. Los más im portantes son la sacarosa, la glucosa, la fructosa y los jarabes de almidón. N orm alm ente el poder edulcorante d e un azúcar no está en funcióa de su concentración, por lo que es muy difícil asegurar que un azú*- car es r veces más dulce que otro. L a medida d« la intejuidtd del sabor dulce se Ueva a cabo m ediante la determ inación del umbral de per­ cepción del sabor o por comparación con una sustancia de referencia, generalm ente la saca­ rosa, ya que ésta destaca sobre los demás par su sabor especialm ente agradable incluso a concentraciones altas (cuadros 5.1 y 5.2). La intensidad y calidad del sabor dependen no sólo de la estructura del azúcar (la intensi­ dad del sabor disminuye en los oligosacárídos con et aum ento de la longitud de la cadena) si­ no de la tem peratura, pH y de la presencia de o tras sustancias que puedan interferir con los receptores del sabor. Por o tra pane, existe una relación m uy estrecha en tre el coaten ido de azúcar y la apreciación de sustancias aromáti­ cas presentes de form a suturiiúasa e notan d color del alim ento puede influir en el juicio so­ bre el sabor. La percepción del sabor dulce se basa, se­ gún la hipótesis propuesta por Schallenberger y Aeree (1967) (figura 5.2), en la existencia de un sistema dooador/aceptor de protones (siste­ m a A H /B J en el alim ento que puede entrar C —C iO 5.1. f s é u .-sfcSvo ezúcom (%, p/pj. Azúcar K tn solución PE in formo crinolina (W ruckM O 100-175 180 Socoroso* 100 100 a-O O ucosc 40-79 74 B-O G 'ucoia < a-onómoro 82 aO G oloetoso 27 32 (VOCo loe fosa — 21 a-O-Manoia 59 32 B& M anosa Am osgo A ñasgo aO -loctoia 16-38 16 (J-CHccfoia 48 32 fi&Makoto 46-32 — Rzfincio 23 1 Estaquíoia — 10 4 Ajúcor ¿m rtf*/«*óo. «olor arbitrario do 100. woaftr fiiwioo (19921. C u a o íO 5.2. Podar adwlcoronia rotativo da divanos poli alcoholas*. Eolialcoñal ? o ¿ w «culcora/iú1 XÜdol 9 0 Sorbí tai 6 3 Calactiial 58 M aíM ol 68 loe fí tal 35 4 PaRalcohol*» dbvsfcot «ti agua, o 25 *C. * Socoro so • 100. Ftwtmma (1992). en contacto con algún sistema complementario (sistema A H /B t) del receptor (papilas gustati­ vas) m ediante el establecimiento de puentes de hidrógeno. La distancia entre el H unido mediante en­ lace covalente a A y el orbital electronegativo (B) debe ser al menos de 3 Á para que se esta- t-fcsca c! puen te de hidrógeno interm olecular AH/B. Recientemente se ha ampliado este mo­ delo añadiendo la existencia de grupos hidró­ fobos (X) en los azúcares (grupo metileno, me­ tilo y feoílo) que son atraídos por grupos simi­ lares dispuestos en el receptor gustativo. Las unidades activas (A H , B y X ) deben estar si­ tuadas de tai m anera que las tres en tren e n ' «•— «pro*, a A-*i W - 2-5 A-H 1 L l i : • r ■ T 1 0 ' « - - - a -H ; i i i 1 H 1 1 H i a i * 1 1 1 1 B A X 1 1 ! r*— iprox. 3 A-»-1 i«— aproi. 3 A-*i Compuestos dulces Interferencias AH: • OH. - COOH, • NH - NH -. - CHs B: • OH, -NH,, « C « 0 . - NO*, • SO, -, - C - C-, Cl FiGUtA 5 .2 . Teoría de SchaHenberger y Acre» sobre la percepción del sobar dulce. contacto con el centro receptor. Esta o rdena­ ción es la base de la teoría. 5.4. Propiedades funcionales de los polisacáridos Las propiedades funcionales de los polisacá- ridos e s tin íntim am ente relacionadas con su estructura, tam año y fuerzas m oleculares se ­ cundarias, principalm ente las que dan lugar a puentes de hidrógeno. 5.4.1. Solubilidad La m ayoría d e los polisacáridos que se in­ gieren en una dieta normal son ¡nsolubles (ce­ lulosa, hemicelulosa) y son los que aportan al alimento propiedades com o la cohesión, textu­ ra y palatabilidad; además, como constituyen­ tes de ia denominada fibra dietética, son benefi­ ciosos para ia salud contribuyendo a una moti- iidad intestinal conecta. El resto de los polisa­ cáridos son solubles o dispersables en agua y son los responsables de la viscosidad, capaci­ dad espesante y gelificante; debido a ello, su presencia perm ite diseñar alim entos con for­ mas y texturas específicas. Los polisacáridos son polialcoholes consti­ tuidos por unidades glicosídicas que. como m e­ dia, contienen tres grupos hidroxilo que pue­ den establecer uniones (puentes de hidrógeno) con las moléculas de agua de tal m anera que cada molécula de polisacárido puede estar to­ talmente solvatada y, por lo tanto, permanecer totalmente disuelta en el agua. Esta unión hace que los polisacáridos modifiquen y controlen la movilidad del agua en los alim entos y que el agua influya notablemente en las propiedades físicas y funcionales de estos compuestos. Jun­ tos, los polisacáridos y el agua, controlan mu­ chas propiedades funcionales de los alimentos, incluyendo la textura. El agua de hidratación que está unida me­ diante puentes de hidrógeno no lo está en un sentido estricto ya que, aunque poca, presenta una movilidad que hace que las moléculas pue­ dan cambiarse libre y rápidam ente por otras moléculas de agua. De hecho, el agua de hidra­ tación constituye sólo una pequeña parte del agua total presente en tos geles y en los tejidos, m ientras que el agua no ligada a los polisacári­ dos se sitúa en capilares y cavidades de diferen­ te tamaño. Los polisacáridos en disolución pueden ac­ tuar como ertoprottetores evitando o con tro ­ lando la formación de cristales, debido a que los polisacáridos, al aum entar la viscosidad de una disolución, provocan un descenso del pun­ to de congelación y limitan al máximo la movi­ lidad de las moléculas de agua evitando así la cristalización. Adem ás, los polisacáridos pue­ den adsorberse en los núcleos o puntos activos de un cristal im pidiendo su crecim iento. Por ello, en los alimentos almacenados en congela- d ó n , los polisacáridos son muy efectivos como agentes protectores frente a cambios estructu­ rales y de textura. 5 .^ .2 . Hidrólisis de los polisacáridos Los polisacáridos son relativam ente poco estab les y pueden sufrir cam bios durante el procesado y almacenamiento de los alimentos que los contienen. La hidrólisis de los enlaces giicosídicos puede hacerse de forma enzimática o en medios ácidos; generalm ente, la hidrólisis tiene lugar más rápidamente durante el trata­ m iento térmico. La despolim erización lleva consigo un descenso en la viscosidad y por ello, cuando se prevé una hidrólisis es conveniente incorporar una cantidad mayor de polisacárído para evitar el cambio de la viscosidad m ante­ niendo la textura del alim ento en las mismas condiciones. E n el caso de la hidrólisis enzim ática, la efectividad del proceso depende de la especi­ ficidad de la enzim a, del pH , tiem po y tem ­ peratura. Además, hay que tener en cuenta el im portante papel que las enzimas microbianas desem peñan en la hidrólisis de los polisacá­ ridos. 5 .4 .3 . Viscosidad Todos los polisacáridos solubles forman so­ luciones viscosas debido a que se trata de gran­ des moléculas. La viscosidad de una disolución de polisacáridos está en función de la forma y tam año de su molécula y de la conformación que adopte en la disolución; a su vez. la forma de los polisacáridos está relacionada con la fuerza con la que se establezcan los enlaces giicosídicos que unen las subunidades que lo constituyen de tal forma que cuando las unio­ nes son poco rígidas, la flexibilidad de la molé­ cula es mayor y. en consecuencia, las móléculas pueden adoptar distintas conformaciones. La form a del polisacárído tam bién se ve influida por las cargas superficiales y por las reacciones de atracción/repulsión que pueden aparecer, así, los polisacáridos lineales suelen tener un soto tipo de carga iónica, siempre negativa, de­ rivada de la ionización del grupo carboxilo, que es la que establece unas fuerzas de repul­ sión que obligan a la m olécula a adoptar esa configuración. Cuando están en disolución, los polisacári- dos giran librem ente ocupando un espado que se conoce con el nombre de volumen efectivo. Si el polisacárído es lineal (figura S.3), al girar, por razones de tipo estérico, las moléculas ocu­ pan más e sp a d o por lo que chocan unas con otras originándose una fricción que provoca un aum ento de la viscosidad y un consum o de energía. A igualdad de masa molecular, si el polisa- cárido está plegado o ramificado, el volumen efectivo distñinuye, por lo que en disolución ocupa m enos e sp a d e y es más difícil que se en­ cuentren y choquen unas moléculas con otras, con lo que la viscosidad será menor. En conse­ cuencia. a igual concen tradón , los polisacirí- dos lineales form an disoluciones m ás viscosas que las preparadas con polisacáridos ramifica­ dos o plegados. Por ello, desde un punto de vis­ ta tecnológico, los polisacáridos lineales son más útiles que los ram ificados para e laborar soluciones viscosas o geles. Cualquier factor que implique que una m o­ lécula lineal adop te en disolución una forma más estirada provocará un aum ento de la vis­ cosidad y, po r el contrario, si provoca la apari­ ción de form as m enos extendidas (helicoida­ les) dism inuirá la viscosidad de la disolución. Esto quiere decir que los com ponentes de los alim entos pueden influir positiva o negativa­ m ente en la viscosidad de disoluciones de po- lisacáridos; así, los azúcares libres pueden com petir por el agua dejando menos cantidad disponible para los polisacáridos, con lo cual éstos establecen puentes de hidrógeno consi­ go mismos o con otras moléculas apareciendo estructuras de hélice o doble hélice que dismi­ nuyen la viscosidad y favorecen la aparición Figura 5.3. Volúmenes efectivos de los diferentes ti­ pos de polisacáridos. A: lineal. 8; plegado. C. ra­ mificado. D: altamente ramificado. de geles. L as sales también com piten p o r el agua de la misma forma pero actúan al mismo tiem po como contraiones para los polisacári­ dos, dism inuyendo asf los efectos repulsivos y favoreciendo la aparición de estructuras heli­ coidales e incluso la precipitación del polisa- cárido. 5.4 4 Capacidad de fo rm ar aeles L ’r. ge! es una red tr id im en sio n a l que dej i atrapada en su interior gran cantidad de una fase liquida continua. En la mayoría de los ali mentos, la red del gel está form ada por fibras de polím eros unidos unos a otros por puentes de hidrógeno, asociaciones hidrofóbicas fu e r­ zas de Van der Waals, enlaces iónicos o cova- lentes, m ientras que la fase líquida es una solu­ ción acuosa de solutos de baja masa m olecular y fragmentos de cadenas poliméricas. La formación de un gel a partir de un polisa- cárido se lleva a cabo en varias fases (figura 5.4). de geles. En primer lugar hay que considerar, como se ha expuesto anteriormente, que la molécula del polisacárido en disolución aparece cubierta con una capa monomolecular de agua unida a él me­ diante puentes de hidrógeno. Las moléculas de agua pueden establecer a su vez puentes de hi­ drógeno con grupos hidroxilo procedentes de otros monosacáridcs haciendo que la molécula adopte una configuración helicoidal (A) e inclu­ so de dobles hélices si los puentes de hidrógeno se establecen con carácter intermolecular. Las partes de la molécula que permanecen estiradas o que se han desplegado por efecto del calor, se unen unas a otras de forma paralela dando lugar a estructuras cristalinas donde queda excluida el agua (B). Estas estructuras se han denominado clásicamente micelas y pueden hacerse cada vez más grandes provocando el estiramiento de las moléculas a modo de una cremallera, llegando incluso a su insolubilización y precipitación por efecto de las fuerzas gravitacionales con libera­ ción del agua, es decir, con la separación de dos fases. El proceso de exclusión del agua se deno­ mina sinéresis. Este fenómeno se conu«: con el nombre de retrogradación en el caso del almi­ dón. En otros casos, la zona cristalina no crece, pero un mismo polisacárido puede establecer uniones con más de un polisacárido aum entan­ do asf el núm ero de zonas micelares. Estas reacciones dan lugar a una estructura de malla o red tridimensional que deja atrapadas en su interior a las moléculas de agua que se sueltan de las zonas cristalinas y aparece, en conse­ cuencia, un gel (C). La firmeza del gel dependerá exclusivamen­ te de las fuerzas con las que se unen las zonas cristalinas. Asf, si estas zonas son numerosas, grandes y están fuertem eníe unidas se ob ten ­ drán geles firmes y estables, m ientras que si son escasas, pequeñas o las fuerzas que unen las moléculas no son fuertes, se obtienen geles débiles y poco estables. En consecuencia, la fir­ meza de un gel puede modificarse tecnológica­ mente con el fin de obtener la necesaria en ca­ da momento. En términos generales, un gel fir­ me v estable contiene en tom o ai 1% de polí­ mero y un 99% de agua. En e! caso de los polisacáridos ramificados o los que poseen grupos cargados no se pue­ den obtener regiones de tipo cristalino ante la dificultad de que se formen zonas de unión pa­ ralelas y de carácter estable, bien por impedi­ m ento estérico o por reacciones de rtpulsión. G eneralm ente, estas moléculas dan lugar sim­ plem ente a soluciones viscosas estables. Los geles tienen propiedades de sólido y lí­ quido. Cuando las moléculas forman l i red tri­ dimensional, la solución líquida cambia adop­ tando una estructura similar a la de u ra espon­ ja, m ientras que la red adopta una resistencia similar a la de un sólido elástico. Sin embargo, la movilidad de las moléculas de la fase líquida continua hace que el gel sea menos rígido que un sólido ordinario y que se comporte como un líquido viscoso. En consecuencia, un gel puede considerarse como un sem isólid j viscoelásaco ya que su respuesta a una presión es, por un la­ do, característica de un sólido cristalino y, por otro, de un líquido viscoso. Por ello, la elección de un polisacárido u otro para una determ inada aplicación depende básicamente de la viscosidad o fuerza del gel deseado, de sus características Teológicas, del pH del sistema, de la tem peratura durante el procesado, de las interacciones con otros ingre­ dientes, textura y del coste de las cantidades requeridas para obtener los resultados que se desean. 5.5. Transformaciones de los carbohidratos por acción del calor Dos son las principales transform aciones qvjetiemwv lugar: caramelizactón y pardeamien- to no enzimático. 5.5.1. Carametizoción El calentam iento de los carbohidratos, en especial el de la sacarosa y otros azúcares re­ ductores, en ausencia de compuestos n itroge­ nados, da lugar a un conjunto de com plejas reacciones conocidas como caramelización. Es­ tas reacciones se ven favorecidas por la presen­ cia de ácidos y de ciertas sales. En términos ge­ nerales, la term olisis provoca reacciones de deshidratación de los azúcares con la introduc­ ción de dobles enlaces y la formación de anillos insaturados (por ejemplo, levoglucosano). Es­ tos dobles enlaces absorben luz y provocan la aparición del color, mientras que los anillos se condensan unos con otros para producir polí­ meros que poseen color y aroma. Los pigmentos responsables de los colores del caramelo son polímeros de estructura va­ riable y com pleja y, en algunos casos, desco­ nocida. Contienen grupos hidroxílicos de aci­ dez variable, carbonilos, carboxilos. enólicos y fenólicos. La velocidad con la que se form an aumenta según lo hacen el pH y la tem peratu­ ra; así, a pH 8,0 es diez veces superior que a pH 6 .0 . Los pigmentos que aparecen durante el pro­ ceso pueden ser de tres tipos: • Caramelo de color pardo: aparece cuan­ do se calienta una solución de sacarosa con bisulfito amónico. Se usa en las bebi­ das tipo cola, otras bebidas ácidas y ja ra ­ bes. Estas soluciones son ácidas (pH 2- 4.5) y contienen partículas coloidales con cargas negativas. • C aram elo ro jizo : aparece por ca len ta ­ m iento de la glucosa en presencia de sa­ les de amonio; cuando ocurre en disolu­ ciones acuosas, éstas presentan un pH entre 4,2-4,8 y contienen partículas coloi­ dales con cargas positivas. El caram elo rojizo se aprovecha en productos de con­ fitería y jarabes fundamentalmente. • C aram elo de color pardo-rojizo: se o b ­ tiene al ca len tar azúcar sin sales de am onio; está constituido por partículas coloidales con cargas negativas, tiene un pH d e 3-4 y es el responsable, en tre o tros, del coior de m alieado en la e labo­ ración de cerveza y de otras bebidas al­ cohólicas La caramelización de la sacarosa, quizás la más importante por el amplio abanico de posi­ bilidades de uso. requiere tem peraturas en tor­ no a tos 200 ‘C. Aunque el proceso de caram e­ lización es muy complejo, a 160 *C se observa que la sacarosa se separa en glucosa y fructosa y a 200 *C se distinguen tres fases bien diferen­ ciadas una primera fase que requiere unos 35 minutos de calentamiento en la que se pierde una molécula de agua por cada molécula de sa­ carosa: la siguiente fase supone un ca len ta ­ miento adicional durante unos 55 minutos y en ella se observa una pérdida del 8% de peso y aparece un pigmento conocido como caramela- no, soluble en agua y de sabor amargo; la te r­ cera fase consta de otro calentamiento adicio­ nal de otros 55 m inutos y en ella aparece un pigmento soluble en agua, el carameleno. El calentam iento adicional resulta en la form a­ ción de un pigmento muy oscuro e insoluble en agua, conocido como humina. La humina es una m olécula de alta masa molecular y de sabor amargo, por lo que debe evitarse su formación por dar al caram elo un sabor poco agradable. El sabor típico del caramelo es, por lo tanto, el resultado de numerosos compuestos deriva­ dos de la fragmentación y deshidratación de los azúcares y, especialmente, de la sacarosa, inclu­ yendo diacetilo. ácidos acético y fórmico y pro­ ductos típicos del sabor a caram elo com o la acetilformoína (4-hidroxi-2,3,5-hexano-triona) y la 4-hidroxi-2.5-dimetiI-3 (2H)-furanona. 5.S.2. Pardeamiento no enzimático Bajo la denominación de pardeamiento no enzimático o reacción de Maillard se engloban una serie de reacciones muy complejas m edian­ te las cuales, y bajo determinadas condiciones, tos azúcares reductores pueden reaccionar con las proteínas y producir una serie de pigmentos de color pardo-oscuro y unas modificaciones en el olor y sabor d i los alimentos que son d e ­ seables en algunos casos (asados, tostados o frituras) e indeseables en otros (colores oscu­ ros que se desarrollan duran te el alm acena­ m iento de los alimentos). El nom bre de pardeamiento no eniimárico sirve para d iferenciar estas reacciones del pard eam ien to ráp ido que se observa en las frutas y en los vegetales como resultado de las reacciones catalizadas por potifenol-oxidasas y que tienen lugar en tre el oxígeno y un sus­ trato fenólico sin la intervención de carbohi­ dratos. El pardeamiento no enzimático se presenta durante los procesos tecnológicos o el almace­ nam iento de diversos alimentos. Se acelera por el calor y, por lo tanto, se acusa en las opera­ ciones de cocción, pasterización, esterilización y deshidratación. A ) Desarrollo de la reacción Los sustratos de estas reacciones son com ­ puestos con grupos carbonilo , fundam en­ talm ente los azúcares reductores, principal­ mente la D-glucosa; otros compuestos como el ácido ascórbico, la vitamina K y los ortofenoles también pueden intervenir en la reacción al po­ seer grupos carbonilo. El otro sustrato de la re­ acción está constituido por los aminoácidos bá­ sicos constituyentes de las proteínas cuyo gru­ po am ino libre reacciona con el grupo carbonilo de los azúcares reductores. Evidente­ m ente, la velocidad de la reacción dependerá de la naturaleza de los azúcares y del tipo de aminoácido que reaccione, lo cual justifica que el pardeam iento no enzimático sea diferente de unos alimentos a otros. El desarrollo de la reacción conlleva la si­ guiente sucesión de reacciones: I. Condensación de Motilard Es la primera reacción que tiene lugar y consiste en la con­ densación de un grupo carbonilo libre ) de un grupo amino de acuerdo con el siguiente es­ quema: =C=0 + HjN-R *-* =COH-NH-R itóou iimnoácido fücosiUmini ceiou prouini (H*> =COH-NH-R «-» =C=NR + H ,0 bise de Schiff Las bases de Schiff son com puestos inesta­ bles que se isomerizan rápidam ente para dar aldosilam inas si provienen de una aidosa, y cetosilaminas si provienen de una cetosa. Las aldosilaminas sufren una reestructuración in­ terna (reestructuración de Am adori) y se trans­ forman en cetosaminas, mientras que las ceto­ silaminas se convierten en aldosam inas m e­ diante la reeescructuración de H eyns o de A m adori inversa. Las cetosam inas son com ­ puestos relativamente estables y se form an con un buen rendim iento cuando el contenido en agua es del 18%, como mínimo. 2. Degradación de las cetosaminas. Una vez form adas, las cetosám inas se van descom po­ niendo mediante una red de complejas reaccio­ nes dando lugar a com puestos a-d icarbonílo insaturados, potentes precursores de pigmen­ tos, o a reductonas, sobre todo si el medio es alcalino (figura 3.5). A partir de las reductonas pueden formarse, m ediante reacción con am inas secundarias, compuestos susceptibles de polim erización y pueden sufrir escisiones que conducen a la for­ mación de cetonas, aldehidos y ácidos volátiles que contribuyen al sabor y aroma. 3. Degradación de Strecker. La últim a se ­ cuencia de reacciones, conocida como degrada­ ción de Strecker, tiene lugar cuando los com­ puestos a-dicarbonito reaccionan con a-am ino- ácidos produciendo su degradación y se desarrolla cuando los alimentos se calientan a altas tem peraturas (figura 5.6) H H I I h - c - N - n t = o ( H - j í - O H ) CH jO H Cetosamina / \ C = 0 CHj c —o c = o CH, t - OH ( H— OH) p.| t - O H O ljO H H - C - O H CHjOH Compuesto a-dicarbonüo Reductona FIGURA 5 .5 . Estructuro de los principales compuestos da degrodoción de b s cetosominas. Com o consecuencia de estas reacciones, se originan aldehidos con un á tom o de carbono m enos que el am inoácido inicial, d ióxido de carbono y nuevos compuestos carbonito. Estos últimos pueden reaccionar en tre sí, con los al­ dehidos o con las sustancias amino y producir com puestos volátiles arom áticos (carbonitas), deseables o no, tales como las pirazinas, entre las que destaca la dim etilpirazina que es, por e jem plo, el constituyente d e l arom a de las patatas chips. E¿ ta reacción se utiliza para p ro ­ ducir los arom a; característicos de ciertos ali­ m entos, como el chocolate, la miel y el pan. Las reacción» continúan, especialm ente a pH bajo (S,0), para dar com puestos in te rm e­ dios e n los que aparecen furanos. A valores superiores de pH, los com puestos cíclicos for­ mados polimerízan rápidam ente para dar com ­ puestos de color oscuro que contienen siempre nitrógeno. En la fase inicial no se observa la aparición de color pero sí aumenta el poder reductor. En la siguiente fase aparece un color am arillento y aum enta la absorción en la región U V cercana debido a la deshidratación del azúcar y a la for- FlGURA 5.Ó. Esquema del desarrollo de la reocción da Sfrecker. ¡nacida de com puestos c-dicarbor ilo. E n. m u­ chos casos se observa también un aumento del poder reductor acom pañado de la iparirión de amtno-azúcares. E n las fases finales se observa la aparición de pigmentos de color pardo-roji­ zo intenso que no se decoloran por la presencia de agentes decolorantes como los sulfitos; los pigmentos responsables del color son las mela- noidinas coloidales, moléculas grandes e ¡oso- lubles que surgen como resultado de complejas reacciones de polimerización y condensación. El seguim iento de la reacción puede reali­ zarse colorim étrícam ente a 420-490 nm. por s e ­ paración cromatográfica, midiendo los niveles de dióxido de carbono y por análisis de los e s ­ pectros en el ultravioleta (LTV) y el infrarrojo. El pardeam iento no enzimático ¡s responsa­ ble del color oscuro de los asados y tas frituras, del chocolate, de la corteza del pan y productos de pastelería. Sin embargo, la reacción de Mai- Uard conlleva un descenso del valor nutritivo del alim ento ya que implica la destrucción de aminoácidos básicos, como la lisina. am inoád- oo esencial cuyo grupo e-amino reacciona con los azúcares y otros aminoácidos como la L-ar- ginina y la L-histidina. La pérdida de ácido as- córbico y vitam ina K, cuando están im plica­ dos en estas reacciones, contribuye también al descenso del valor nutritivo. Sin embargo, la ausencia de color no asegura el mantenimiento del valor nutritivo ya que los aminoácidos bási­ cos reaccionan con los azúcares al principio del proceso , es deciT. mucho antes de que se d e ­ sarrollen los colores. Además, en la degrada­ ción de Strecker se produce la pérdida de o tro am inoáádo.ya-que implica la interacdón entre un o-dicarboodo y un a-aminoácido, lo que in­ fluye no tab lem en te en el descenso del valor nu tritivo del alimento. E n consecuencia, cual­ quier alim ento que contenga proteínas y azúca­ res y se caliente, aunque sea a temperaturas no muy altas y durante corto tiempo, sufre pérdi­ das de aminoácidos esenciales y, por lo tanto, de su valor nutritivo. OtTo efecto poco favorable del pardeamien­ to es que las reacciones de Maillard y de Strec­ ker. si son muy intensas, producen sabores ad­ versos y dan lugar a algunas sustancias poten- c ialm eate tóxicas, tes premelanoidinas, que pueden contribuir a la formación de nitrosami- ñas, adem ás de tener carácter mutagénico por sí mismas. B) Factores que influyen en el pardeamiento no enzimático El desarrollo de las reacciones de pardea- m iento no enzim ático depende de diferentes variables: 1. pH. El efecto del pH es muy significati­ vo ya que a valores inferiores a 6,0 disminuye la velocidad a la que se desarrollan las reaccio­ nes de pardeam iento; se debe a que a estos va­ lores de pH , el grupo amino se encuentra car­ gado positivam ente y se inhibe la formación de la glicosilamina. A dem ás, los m edios fuertem ente ácidos o alcalinos catalizan la transform ación directa de los azúcares en com­ puestos carbonita insaturados, capaces de poli- merizarse (figura 5.7). Cada una de las reacciones que intervienen en el pardeam iento tiene su pH óptimo. Las prim eras reacciones tienen lugar a pH próxi­ mos a la neutralidad mientras que la degrada­ ción de las cetosaminas y la aparición de los pigmentos se realiza óptim am ente a pH infe­ riores. Resulta evidente, por io tanto, que la acidi­ ficación de un alimento, siempre que no se al­ teren sus características sensoriales, ralentizará e incluso im pedirá el desarrollo del pardea­ miento. 2. Actividad de agua. En términos genera­ les, la velocidad de pardeam iento es m ayor a medida que aumenta el contenido de agua (fi­ gura 5.8) pasando po r un máximo en tre am comprendidas entre 0,60-0,85. Por el contrarío, los alimentos deshidratados a nivel de la capa m onotnolecular de agua son ios m is estables pH Figura 5.7. Efecto del pH en lo velocidad de desorrollo del pardeamiento no enzimático. *w Figura 5 .8 . Efecto de la ow en la velocidad de desarrollo del pardeamiento no enzimático. siem pre que se p ro te jan de la hum edad y a tem peraturas moderadas. 3. Presencia de iones metálicos. El cobre y ei h ierro favorecen el pardeamiento, siendo el Fe3* más efectivo que el F e : ' . La influencia de estos iones en la velocidad de las últimas fases de la reacción de Maillard ha hecho pensar que se trata de reacciones de oxidación-reducción, sobre todo las que originan pigmentos. 4. N am raleza del azúcar. La actividad de los azúcares está relacionada con su conform a­ ción y estructura. Evidentem ente, los azúcares reductores son los principales implicados en es­ ta reacción, siendo más activos, por este orden, las pentosas (ribosa), las hexosas (glucosa, fructosa) y los disacáridos reductores (lactosa, maltosa); estos últimos sólo reaccionan tras su hidrólisis. La sacarosa es poco activa ya que ca­ rece de función reductora libre excepto en ali­ mentos ácidos en los que se hidroliza progresi­ vamente en los monosacárídos constituyentes: glucosa y fructosa. El grado de form ación de pigmentos depende de la cantidad de azúcar que presente una configuración abierta, lo cual sugiere que las aminas reaccionan sólo cuando los azúcares están en esta forma. 5. Tipo de aminoácido. Dentro de los a-am i­ noácidos, la glicina es el más activo. Cuanto más larga y más compleja sea su estructura, más se reduce su capacidad de reacción y, en conse­ cuencia, su participación en las reacciones de pardeamiento. E a los a>-aminoácidos, el parde­ amiento aumenta a medida que lo hace la longi­ tud de la cadena; así, cuando la ornitina está implicada, el pardeamiento aparece más rápida­ mente que cuando lo está la lisina. C uando el elemento reactivo es una proteína, unos puntos de la molécula pueden reaccionar m ás rápida­ mente que otros; así, en las proteínas, el grupo E-amino de la lisina es particularmente vulnera­ ble a la acción de los azúcares reductores. 6. Temperatura. El pardeam iento no enzi­ mático puede detenerse a bajas tem peratu ras mientras que a tem peraturas elevadas aum enta notablemente. La energía de activación de las principales etapas de! proceso de pardeam ieo- to oscila desde 12-35 kJ/mol en la formación de glicosil aminas hasta los 80-180 IcJ/mol necesa­ rios para la formación de pigmentos. La ener­ gía que se aplica en forma de calor es, por lo tanto, necesaria para el desarrollo de las reac­ ciones. Esto quiere decir que cuanto mayor sea la tem peratura, mayor es la energía que se apli­ ca al sistema y se acelera el desarrollo de las reacciones incluso en ausencia de catalizado­ res. Por el contrario , si las tem peraturas son bajas, el pardeamiento no enzimático se inhibe e incluso puede llegar a no producirse. Teniendo en cuenta estos factores y estable­ ciendo un control del alimento, se puede mini­ mizar el desarrollo de las reacciones del p a r­ deamiento no enzimático de diferentes formas: I OH ¡ . O . H S O * . ► H I H I „ I s NHR q =N-R + HSOjNa f C SOjNa R R H - t h — t — SOjNa H - i + H SO jN a *- H - C —H H —¿ H — SOj Na OH a) Controlando los niveles de humedad pa­ ra que sean los más bajos posibles. b) Evitando las tem peraturas altas, sobre todo en los períodos de almacenamiento del alim ento. Así, los alim entos deshi­ dratados deben almacenarse como máxi­ mo a 25 #C y en envases impermeables que los aíslen de la humedad. c) Bajando el pH del alimento todo lo que su estabilidad pueda permitir. Así, la le­ che no puede acidificarse ya que se p ro­ vocaría la precipitación de las proteínas. i ) Eliminar sustratos reactivos, normalmen­ te el azúcar. Un ejemplo típico es la elimi­ nación de la glucosa mediante la acción de la glucosa-oxidasa en el tratamiento de los huevos que van a ser deshidratados. e) Incorporación de agentes químicos tales como dióxido de azufre y sulfitos. Estos agentes evitan la aparición de los pig­ mentos de color pardo, pero no evitan el descenso del valor nutritivo ya que la d e ­ gradación de los aminoácidos tiene lugar antes de que se form en los pigmentos y, en consecuencia, antes de que actúen es­ tos compuestos (figura 5.9). Los sulfitos se combinan básicamente con el grupo carbonilo activo dei azúcar reductor. Es más, estos compuestos tienen muy poco efecto Figura 5.9. Modo de actuación de los sulfitos como inhibidores de) pardeamiento no enzimático. en la degradación de Strecker, a la que se con­ sidera como uno de los puntos más im portan­ tes de pérdida del valor nutritivo. El control del pardeamiento no enzimático es im portante por diferentes razones: a) En muchos alimentos el pardeam iento es deseable por el color y arom a que pro­ duce, m ientras que en otros es indesea­ ble ya que el cambio de color puede ha­ cer al producto rechazable desde el pun­ to de vista estético y sensorial. b) Evitar el pardeam iento no enzimático es deseable para m antener intacto el valor nutritivo del alim ento. Esta pérdida es muy im portante en los alim entos en los que la lisina es escasa, como es el caso de los cereales (tostado de los cereales, acortezado del pan). c) La presencia de com puestos po tenc ial­ m ente mutagénicos como los resultantes de la reacción entre la D-glucosa o D- fructosa y L-lisina o ácido L-glutámico o precursores de nitrosam inas (prem ela- noidinas). 5.6. Principo les polisacáridos A continuación se van a describir las carac* terfsticas m ás im portan tes de los principales polisacáridos, algunos de ellos de gran interés en Tecnología de los Alimentos. 5 .6 .1. Almidón A ) Estructura E l alm idón es un polímero que se encuentra en los vegetales realizando una función de re­ serva. Se localiza dentro de pequeños gránulos cuyo tam año y apariencia varia según las plan­ tas en las que :« encuentre. Los gránulos pue­ den ser observados por microscopía con luz po­ larizada u ordinaria (aparecen birrefringentes) así com o por difracción de rayos X, mostrando en cualquier caso una estructura cristalina. Su tam año y forma varían de unas plantas a otras según el sistema biosintético y las condiciones físicas del entorno del tejido. Los gránulos de almidón están constituidos por dos polisacáridos diferentes: uno de estruc­ tura lineal, la amilosa, y o tro de estructura ra­ mificada, la amUopcctina (figura 5.10). E n la am ilosa, las m oléculas de D-glucosa se encuentran unidas m ediante enlaces giicosi- dicos a - 1,4. E l número de moléculas de glucosa varía, según las especies, desde unos cientos hasta miles. En la mayoría de los almidones, la amilosa representa en tom o al 17-30% del to ­ tal salvo algunas excepciones (maíz) que puede constituir hasta el 75%. En el gránulo de almidón, la amilosa se en­ cuen tra en form a cristalizada uniéndose unas moléculas a otras mediante puentes de hidróge­ no. E n disolución, las moléculas de amilosa se F d ltA 5.10 . Estructura da los polisocóridos constituyanlas del almidón. presentan en form a de hélice en la que cada vuelta está formada por 6 unidades de glucosa, y son capaces de incluir a otras moléculas como ácidos grasos, iodo e hidrocarburos form ando los denominados compuestos de inclusión. L a molécula de amilopectina es ramificada ya que en cienos puntos de la molécula presenta enla­ ces a-1,6. Las ramificaciones son relativamente cortas y contienen 20-30 unidades de glucosa. Con el iodo, las soluciones de amilopectina dan un color rojizo. D urante la cocción, la amilo- pectina absorbe mucha agua y es, en parte, ta responsable del hinchamiento de los gránulos de almidóo. Debido a su estructura ramificada, la amilopectina no tiene tendencia a la recrista­ lización y, al contrario que la amilosa, las diso­ luciones de amilopectina no retrogradan. B) Gelatinización Los gránulos de almidóo no son solubles ea agua fría aunque sí pueden absorber cierta can­ tidad de agua ocasionando un pequeño hincha- miento. Sin embargo, cuando aumenta la tem­ peratura, las moléculas del almidón vibran con fuerza rompiendo los enlaces intermoleculares y estableciendo puentes de hidrógeno con el agua provocando un hinchamiento acom pañado de un descenso del número y el tamaño de las re­ giones cristalinas, como lo demuestra la pérdida de birrsfrinzencia y la naturaleza de la difrac­ ción de rayos X. En este momento ta viscosi­ dad de ta solución aumenta considerablemente ya que con el hinchamiento, los gránulos se ad­ ineren tmoa a acras; la disolución puede llegar a tener incluso aspecto oe una pasta. Si se pro longa el tratam iento térmico, los gránulos e jer­ cen una fuerte -presió n m a s con de los postres instantáneos, rellenos de tartas, papillas infantiles, etc. Los alm idones reúculados se preparan ha­ ciéndolos reaccionar con agentes reticulantes como la epiclorhidrina, el trimetaíosfato sódico o el oxidoruro de fósforo durante 1 hora a una tem peratura de 50 *C. Estos agentes provocan la aparición de enlaces covalentss tipo éster y éter entre las m oléculas de amilcsa y amilopec- ttna, con lo que el gránulo de almidón se hin­ cha pero no llega a estallar, en consecuencia, las soluciones perm anecen viscosas duran te más tiempo aunque se calienten, se agiten o se pongan en contacto con ácidos. Si el almidón está muy reticulado puede llegar a inhibirse la gelatinización incluso en agua hirviendo. Se utilizan am pliam ente para alimentos infantiles, salsas para ensaladas, rellenos para tartas y postres cremosos, actuando como espesantes y estabilizantes. Los alm idones tam bién se modifican quím i­ camente para los productos que tengan que al­ m acenarse durante un período largo de tiempo a bajas tem peraturas (sobre todo salsas conge­ ladas). En estos alm idones se busca la sustitu­ ción de los grupos hidroxilo por grupos acetilo, hidroxietilo, hidroxipropilo y fosfato con el fin de incorporar grupos muy hidrófilos que re ten­ gan fuertem ente el agua y eviten su separación bajo forma de cristales aum entando asi la esta­ bilidad del alimento. 5.6.2. Glucógeno Es el polisacárido d e reserva en los tejidos animales, principalm ente en los tejidos muscu­ lar y hepático. Tras la m uerte del animal, gran p arte se degrada a glucosa y posteriormente a ácido láctico. Su estructura es similar a la de la am ilopectina (enlaces a-1 ,4 y a - 1,6) aunque tiene un grado m ayor de ramificación y una m asa m olecular muy elevada (figura 5.11). E l glucógeno varía en form a y tam año se­ gún las especies. A unque existe en todas las cé­ lulas, es m ás ab u n d an te en el hígado donde pueden alcanzar el 2-10% del peso del órgano. En algunos casos (músculo cardiaco y esquelé­ tico), el glucógeno se encuentra en forma de gránulos de unos 50 fim de diám etro asociados, fundamentalmente, a filamentos de acuna. C a­ da gránulo está constituido por una molécula altamente ramificada de 15-30 ¿xm de diám etro coa una masa de varios millones de daltons. 5.6.3. Celulosa Es el principa) com ponente estructural de las paredes celulares de los vegetales y gene­ ralm ente se encuentra acom pañada por otros polímeros, como la lignina y las hemicelulosas. Está formada por moléculas de glucosa unidas por enlaces ji-1,4. Las m oléculas de celulosa son largas y rígidas incluso en disolución. Su hidrólisis rinde celobiosa y, finalm ente, g lu ­ cosa. La extrem a linealidad de la celulosa faci­ lita que las moléculas se asocien de form a p a ­ ralela dando estructuras cristalinas rígidas, co­ mo ocurre en las partes leñosas de las plantas (figura 5.12). Los grupos hidroxilo de las m oléculas de glucosa reaccionan con el agua dando lugar a zonas cristalinas y no cristalinas o amorfas. Las primeras son las responsables de la ñrm eza de las fibras de celulosa, m ientras que las zonas amorfas se caracterizan por ser más sensibles a los agentes quím icos y a las enzim as que las cristalinas; además, cuando están en disolución, RICURA 5.12. Estructura de la celulosa. las zonas amorfas son capaces de captar agua y de hincharse mientras que en ausencia de agua, se van haciendo progresivam ente cristalinas siendo las responsables del descenso de plasti­ cidad que se observa en los vegetales y en los alimentos que contienen celulosa y que son so­ m etidos a un secado. La hidrólisis de las zonas amorfas da como resultado la presencia de pequeñas zonas cris­ talinas resistentes a los ácidos; es el producto conocido como celulosa microcristalina, am­ pliam ente utilizado como agente no metaboli- zable, lubrificante y Teológicamente activo en alimentos dietéticos bajos en calorías. El derivado más im portante de la celulosa es la sal sódica de la carboximetilcelulosa (CMC) que se obtiene al tratar la celulosa con hidróxido sódico y ácido cloroacético. La CMC se utiliza para aum entar la viscosidad de los ali­ m entos dando soluciones estables a pH entre 5-10. Debido a sus propiedades reológicas alta­ m ente deseables y a su falta de toxicidad, la CMC se utiliza en una amplia gama de alimen­ tos com o ligante y espesante, en rellenos de tartas, pudines, flanes, helados y pastas para untar. 5.6.4. Hemicelulosas Bajo la denominación de hemicelulosas se incluye un grupo de polisacáridos solubles en agua que forman parte de las paredes celulares de las plantas. La mayoría de las hemicelulosas son heteropolisacáridos que contienen 2-4 ti­ pos de azúcares. Los encontrados más frecuen­ tem ente son la D-xilosa y la L-arabinosa segui­ dos de la D-ga!actosa, D-glucosa y ácido D-glu- curónico. Las hemicelulosas son muy im portantes en los productos de panadería en los que mejoran la capacidad de retención de agua de la harina. De hecho, se incorporan a la masa del pan re­ duciendo la energía necesaria para el amasado, cooperando en la incorporación de la proteína y aumentando su volumen. No se conoce con exactitud su papel en la dieta. No obstante, y como integrante de la fi­ bra dietética, al no ser digerido con facilidad, puede tener efectos fisiológicos beneficiosos sobre la motilidad intestinal, peso, volumen y tiempo de tránsito del bolo alimenticio en el in­ testino. 5.6.5. Ciciodexlrinas Cuando el almidón se hidroliza por acción de una enzima, la glicosil-transferasa, se produ­ cen polímeros cíclicos de 6, 7 y 8 unidades. D e­ bido a la localización de los grupos hidroxilo, la parte más in terna del anillo es hidrofóbica mientras que la externa es hidrofílica. La natu­ raleza hidrofóbica de la cavidad facilita que se puedan establecer interacciones hidrofóbicas con diferentes moléculas; así, las vitam inas pueden form ar complejos con las ciclodextri- nas haciéndose más resistentes, si bien los com­ plejos que se form an pueden ser insolubles y poco recomendables en algunos alimentos (fi­ gura 5.13). 5.6.6. Sustoncios pécheos Las sustancias pécticas com prenden un con­ junto de galacturonoglicanos cuyos grupos car- boxüo están esterificados con metanol en dife- Fig ura 5 . 13. Estructuro de los dclodextrinos. ren tes p roporciones, lo que las hace d iferen­ ciarse unas de otras. Se encuentran en tas paredes celulares y en las laminillas medias de las paredes de las célu­ las vegetales asociadas a la celulosa formando la protopectina, de naturaleza insoluble. El ca­ len tam ien to en m edio ácido (60-100 °C, pH 1,5-3) provoca su hidrólisis dando lugar a las pectinas, form adas finalm ente por restos de ácido a-D -galacturón ico unidos por enlaces (1,4). C uando se provoca la hidrólisis de las pectinas en m edio alcatino por acción enzimáti­ ca, se separan los grupos metilo dando lugar a los ácidos pectfnicos; si se eliminan todos los grupos m etilo, el producto se hace insoluble y se denom ina ácido péctico. L a com posición y propiedades de las pec­ tinas varía según su origen y los procesos utili­ zados duran te su preparación ya que la extrac­ ción con m edios ácidos provoca una despo­ lim erización y una hidrólisis de los grupos metilo. La longitud de la cadena y el grado de este- rificacióa son especialm ente im portantes a la hora de determ inar las propiedades de las pec­ tinas, especialm ente su capacidad geüficante, ya que las pectinas se caracterizan por su capa­ cidad de form ar geles en presencia de azúcar y ácido o en presencia de iones calcio y son utili­ zadas casi exclusivamente para este fin. Así, si el medio es ácido (pH 2,0-3,5) y se añade saca­ rosa en una concentración de 60-65% se forma un gel al enfriar y se m antiene incluso si se ca­ lienta a 100 °C. Las pectinas que tienen más de la mitad de los grupos carboxilo esterificados con m etanol se denominan pectinas HM (high- methoxyl pectins) (figura 5.14) y si tienen m e­ nos de la m itad, pectinas L M (low -m ethoxyl pecñns). FIGURA 5 .1 4 . Estructura del monómero constitu­ yente de los pectinas KM . Las soluciones de pectinas HM gelifican en presencia de azúcares y de ácidos m ientras que las LM lo hacen sólo en presencia de cationes divalentes, principalmente calcio. N orm alm en­ te las pectinas producen geles cuando su con­ centración es tan sólo del 1%. La firmeza ca­ racterística de los geles se correlaciona d irec­ tam ente con las moléculas de pectina de a lta masa m olecular y con una intensa asociación interm olecular. La acción geüficante de las pectinas se utiüza, por ejem plo, para dar fir­ meza a los tomates enlatados y pepinillos en vinagre así como en la elaboración de m erm e­ ladas dietéticas. También se utilizan en la esta­ bilización de bebidas y en la e laboración de helados. 5.6.7. Gomos Bajo la denom inación de gomas se incluye un amplio grupo de polisacáridos solubles en agua procedente; de vegetales terrestres o m a­ rinos o de o rig e i microbiano y que poseen la capacidad de aum entar la viscosidad de una so­ lución y de form ar geles debido a su carácter a ltam ente h idrófilo (cuadro S.3). Las gom as son muy utilizadas en la tecnología alimentaria como gelificantes y espesantes. ClMOtO 5 3 Corocoriilica» y propiododa» d« divonos gomas. Nombra Principóla» Propiododa» conttiluyontai ditffnHvo» Guareno DAtonota. Alto viicotidod a 'JGolodore boja concoMroción Gomo garrofíif CWAanoia, Smargitmo con IXJoiaacsc COfTOQCOOlDS Gomo arábiga ftCalodOM. Ac. O-glucuróoico Alto tolubI las soluciones. La introducción de grupos fuertem ente ionizados confiere a los polisacári­ dos un aspecto mucilaginoso. Se usan básicamente para aumentar o m an­ tener la viscosidad de soluciones, formación de geles. estabilización de emulsiones y espumas, mejora de la textura, prevención de la cristali­ zación de los azúcares y fijadores de aroma en una amplia gama de alimentos, como produc­ tos cárnicos (salchichas).-lácteos (quesos, hela­ dos, sorbetes), productos de confitería, panade­ ría y repostería, bebidas y salsas y productos de preparación instantánea. Los ejem plos más importantes de este gru­ po son las gomas de guar, algarrobo, goma ará­ biga, de tragacanto, agar, carragenatos, algina- tos, dextrano y xantano, cuyas principales ca­ racterísticas se m uestran en el cuadro 5.3. Quizás sean los carragenatos y los alginatos las gom as más am pliam ente utilizadas, sobre todo en la elaboración de postres y sopas. No obstante, para am pliar conocimientos sobre las características específicas y el em pleo de las gomas en la Industria Alimentaria se remite al lector a las obras de Fennem a (1992 y 1996), Belitz y Grosch (1997) y Robinson (1991). 5.7. Fibra Aunque no existe una definición concreta, se considera como fibra dietética a un conjunto de polisacáridos hidrosolubles distintos del almidón que se caracterizan por ser resistentes a la hidró­ lisis por las enzimas digestivas del tracto intesti­ nal; esto quiere decir que los enlaces de unión de las distintas unidades monoméricas que los constituyen son resistentes a la digestión. Los com ponentes de la fibra tienen su ori­ gen en las paredes celulares de las plantas y los más abundantes son la celulosa y la lignina. B a­ jo la denom inación de fibra se engloban ade­ más otros polisacáridos tales como hemicelulo- sas, gomas, alginatos, carragenatos, xantanos, dextranos, pectinas, 13 B-D-glucanos y polisa­ cáridos sintéticos. Se encuentran tam bién, en cantidades m is pequeñas, polifenoles de eleva­ da masa molecular, proteínas, cutinas, ácido fí- tico, acetatos, minerales y alm idón resistente. Todos estos componentes se pueden encontrar en los alim entos de forma natural o adiciona­ dos intencionadam ente com o aditivos. Las principales fuentes de fibra dietética son los ce­ reales, los vegetales y las frutas. El hecho de que la fibra no se hidrolice por las enzimas digestivas no quiere decir que no se degrade y metabolice en parte. En este sen­ tido, se ha com probado que entre un 10 y un 80% sufre un proceso de ferm entación en el colon dando lugar a com puestos que el orga­ nismo absorbe y metaboliza. La fibra d ieté tica puede dividirse en dos fracciones según sea la solubilidad de sus com­ ponentes. U na de ellas es la fracción soluble o fibra dietética soluble que engloba a gomas, pectinas, mucfiagos, polisacáridos de reserva y hemicelulosas solubles. Esta fracción es la que se ferm enta en el colon dando lugar a metano, hidrógeno, C 0 2 y ácidos grasos de cadena cor­ ta que son metabolizados. Sus efectos fisiológi­ cos se asocian con la disminución del colesterol en sangre y con el control de la glucosa y, en consecuencia, de la diabetes. La otra fracción es la que se conoce como f i ­ bra dietética insoluble y en ella se incluyen la ce­ lulosa, la lignina y algunas fracciones de hemice- lulosa. Esta fracción apenas sufre fermentación en el colon y es la responsable del efecto benefi­ cioso de la fibra en la motilidad intestinal contri­ buyendo a la movilización del bolo fecal. Los efectos beneficiosos de la fibra dietética se recogen en la obra de Johnson y Southgate (1994). Bib liografía BEUTZ, H. D. y GROSCH. R. J. (1997): Química de los alimentos. 2.' e VITAMINAS, MINERALES Y ENZIMAS En el presente capítulo se estudian, en primer lugar, las vitaminas y minerales prestando especial atención a las pérdidas que ocurren durante el procesado de alimentos. Después, se estudian las enzimas y se analizan sus aplicaciones en Tecnología de los Alimentos, desde su comportamien­ to como agentes alterantes hasta su uso como control de ciertos procesos y su utilización para la producción de alimentos. Desde un punto de vista fisiológico cual­ quier organismo se nutre para asegurar su su­ pervivencia, es decir, perpetuar la especie. Sin la ingestión de nutrientes, no podría llevar a cabo su desarrollo fisiológico com pleto. P o r ello, uno de los aspectos más importantes en la determinación de la calidad de los alimentos es el que se refiere a su contenido en oligonu- trientes, específicamente su riqueza en vitami­ nas y minerales. Actualmente existe una buena información sobre el contenido de vitaminas y m inerales tanto en alimentos crudos como procesados, en los que siempre hay un porcentaje de pérdida de oligonutrientes. No obstante, hay que apun­ tar que los datos disponibles sobre el contenido de los alimentos frescos no son del todo preci­ sos, ya q*ue en los alimentos de origen vegetal pueden existir variaciones dependiendo de las zonas geográficas del cultivo, prácticas agríco­ las (fertilizantes, tipo de riego, etc.) y del esta­ do de m adurez ai recolectarse el producto. Igualm ente, tras la recolección, las lipoxigena- sas, desfosforilasas y glicosidasas pueden hacer variar e! contenido de vitaminas. En los p ro ­ ductos de origen aaim al, las variaciones son m enores, sobre todo en las vitaminas hidroso- lubles, pero en las liposolubles, el contenido de las mismas depende, en parte, de la dieta que los animales consum ieron. Asimismo, pueden darse cambios pose mortales dependiendo de la m anipulación del producto aunque éstos son de poca im portancia. No obstante, a veces se producen m odificaciones im portantes, como ocurre, por ejem plo, con el ácido ascórbico que se oxida rápidam ente perdiendo parcialm ente su actividad vitamínica. El procesado afecta significativam ente al contenido de vitaminas. Hasta hace unos aftos, apenas se estudiaba el efecto de los distintos procesos en la pérdida o retención de nutrien­ tes. Sin em bargo, en la actualidad es una prác­ tica habitual ya que hay procesos que pueden resu lta r convenientes desde el punto de vista tecnológico o de conservación, pe ro tam bién pueden provocar pérdidas de nutrientes mayo­ res de las deseadas. La cantidad de vitaminas destruidas puede llegar a ser, a veces, un factor crítico en el balance entre un proceso y la cali­ dad del alimento resultante, ya que un produc­ to alimenticio con una calidad nutricional acep­ table deberá proporcionar aquellos nutrientes que caracterizan al grupo de alim entos en que está encuadrado. El contenido en vitam inas y m inerales de diferentes alim entos queda reflejado en el cua­ dro 6.1. 6.2. Pérdida de vitaminas y minerales en los alimentos procesados Cuando un alimento se som ete a un proceso determinado, se pretende conseguir un produc­ to seguro y con una vida útil adecuada pero, al tiem po, ha de intentarse que las pérd idas de nutrientes, que siempre van a existir, sean mí­ nimas. La importancia de este hecho depende del valor nutritivo aportado por el alim ento a la dieta y del grupo de personas al que vaya di­ rigido (niños, ancianos, enfermos, etc.). La incidencia de estas pérdidas está d irecta­ mente relacionada con el tipo de nutriente, el tipo de alim ento y el tratam iento tecnológico aplicado. La influencia de los distintos parám etros que ocasionan la pérdida de nutrientes es muy diferente en vitaminas y minerales. Así, los mi­ nerales que se encuentran presentes en los ali­ mentos, normalmente no se ven afectados por la exposición a la luz. agentes oxidantes, calor y otros factores que pueden ocasionar im portan­ tes pérdidas de vitaminas. Sin em bargo, sí pue­ den ser eliminados de los alim entos por lixivia­ ción o por separación física y tam bién se pue­ den transformar en compuestos biológicamente no asimilables. Las pérdidas de vitaminas y m inerales que sufre cualquier alimento procesado pueden de­ berse a: CUAúíO 6 .1 . Contenido aproxim odo de vitamina! y mineral»! d» algunos an m « « o i [100 g d» alimento) Uch» Hurvoi Cama Vacuno Cardo Cebolla lenguada Patatal Zanahoria! Fresas Naraniai Vitomíno« C (mg| 1 7 0,3 17 7,1 64 50 Tiamina [mg| 0,04 0,31 0,08 0,66 0,09 0,09 0,11 0,07 0,03 0,08 Riboflavina (mg] 0 ,18 0,72 0,18 0.17 0,35 0,08 0,05 0.05 0,05 0,03 Ác, nicoHnico [mg] 0 ,09 0,16 4,9 3,7 8 3.5 1.2 0,6 0,5 0,3 Piridoxma [mg] 0,05 0,31 0,5 0.4 0,7 0.2 0,1 0,06 0.05 Ae, fótico [pg] 3,6 166 20 11 7 8 20 20 Ganocobalomina [pg] 0,4 2,1 1,3 0,8 10 1 Ac, panloténico [mg] 0,35 0,84 1 0.3 0,4 0,3 0.3 0,2 Siotina [pg] 3,5 57 7 5 0,4 5 4 2.3 A (mg) 0,03 1,12 0,04 12 0,05 0,09 o (ral 0,06 17,5 < (mgl 0,08 0,02 E (mg) 0,09 3 0,09 0,7 0,22 0,17 Minerales N a (mg) a s 221 58 58 130 95 3,2 60 2.5 1.4 K ¡ "S i 157 292 342 260 360 230 443 290 147 177 Ca (mg| 120 151 I I 9 24 17 9.5 41 2 6 42 f t |mg] 0,05 7,A 2,6 2,3 1 0,5 0,8 0,66 0,96 0,4 P (mg) 92 611 170 176 240 200 50 35 29 23 A ) La manipulación previa a los procesos Las condiciones que preceden a los diferen­ tes tratam ientos pueden influir en el contenido final de nutrientes de un alimento. D urante el pelado, corte y otras operacio­ nes, se separan partes de los vegetales que no se utilizan y que muchas veces son más ricas en nutrientes que las porciones comestibles (gene­ ralm ente, la piel de las frutas presenta mayor contenido vitamínico que las partes más carno­ sas). Si la eliminación de la piel se realiza me­ diante tratam ientos químicos pueden producir­ se incluso pérdidas de los nutrientes localiza­ dos en las capas carnosas más externas. D uran te las operaciones de molienda, los cereales sufren una pérdida im portante de nu­ trien tes que está d irectam ente relacionada con el grado de extracción. En la separación del germ en y las capas más externas siempre hay pérdidas de nutrientes, sobre todo de mi­ nerales. En las operaciones de lavado, escaldado y cocción en agua siempre hay pérdidas, por lixi­ viación, de vitaminas hidrosolubles y, sobre to­ do, de minerales (cuadro 6.2). La intensidad de estas pérdidas está relacionada con: • pH del medio: la acidez favorece la solu­ bilidad de las sales minerales. • Temperatura: influye en la solubilidad. • Contenido en agua del alimento. • Relación superficie/volumen: mayor pér­ dida cuanto m ayor sea la superficie de alimento expuesta al agua En este tipo de operaciones hay que tener en cuenta que puede haber contaminación con metales y una exposición adicional al oxígeno. Si la cocción se realiza en aguas duras, por ClMCCO 6.2. Pérdida da minoróla», por lia dación, an otubios y espinacas cocido». a de oé dida Alubia» cocida» E ipinoca» cocido» Cclcio 0 Magna tío 63 36 Fósforo 63 36 Potasio 6 ¿ 36 Nirrata — 70 Fuente: Adaptado d* ftnnoma [1992]. ejem plo, puede ocasionar un aum ento de cal­ cio en el producto final. El escaldado es una de las operaciones que ocasiona mayores pérdidas de minerales. Si se hace con vapor, éstas son menores que si se ha­ ce con agua caliente (m ayor pérdida por lixi­ viación). Si el escaldado se> hace con m icroon­ das, son mínimas. Utilizando buenas prácticas de fabricación, la reducción de nutrientes pue­ de ser m enor que la que se produce en las téc­ nicas culinarias. En general, las pérdidas son m enores al utilizar menos agua de cocción. B) Interacción con sustancias químicas utilizadas en ios tratamientos tecnológicos A los alimentos se les puede añadir sustan­ cias químicas como conservadores, o como co­ adyuvantes de ciertos tratamientos; algunas de éstas sustancias pueden tener un efecto adverso sobre algún nutriente. Por ejemplo, el dióxido de azufre, utilizado habitualmente en las frutas y hortalizas para prevenir el pardeam iento eazi- mático, puede reducir el contenido en tiamina aunque protege al ácido ascórbico debido a su carácte r reductor. Los nitritos usados como agente conservador d é la carne pueden reaccio­ nar con el ácido ascórbico, los carotenoides, la tiam ina y el árido fólico, lo que se traduce en una reducción de la actividad vitamínica. Tam bién se puede hablar de pérdidas de mi­ nerales si éstos se combinan para dar compues­ tos biológicamente no utiiizaoles o si la cuota de absorción disminuye en función de ia com­ posición de la dieta. Esto es lo que ocurre con alim entos ricos en salvado que p resen tan un m ayor aporte de h ien o pero su absorción es m enor debido a la presencia de citratos. C) Reacciones degradativas Existen reacciones químicas que tienen lu­ gar durante el procesado y alm acenam iento de los alim entos, que pueden ocasionar pérdidas de nutrientes, concretam ente de vitaminas. D urante la oxidación de los lípidos se origi­ na la formación de hidroperóxidos, peróxidos y epóxidos que pueden oxidar a los carotenoides, tocoferoles y ácido ascórbico o reaccionar con ellos, lo que lleva consigo una pérdida de acti­ vidad vitamínica. En las reacciones de pardeam iento no enzi- mático que tienen lugar en los alim entos tam ­ bién se pueden form ar com puestos carbonilo capaces de reaccionar con algunas vitam inas, con la consiguiente pérdida de las mismas. D) Procesos tecnológicos propiamente dichos El tratam iento térmico de los alim entos es el principal responsable de la reducción de la actividad de muchas vitaminas. O tras operacio­ nes, sobre todo las que no emplean calor, su e ­ len afectar menos a la calidad nutritiva de los alimentos aunque hay alguna excepción, como la pérdida de calcio en la elaboración de que­ sos, que difiere de unos tipos a otros; las mayo­ res pérdidas se producen en el desuerado de quesos coa pH árido debido a la migración del calcio a la fase acuosa. La estabilidad de las vitaminas, a diferencia de los minerales, se puede ver afectada además por diversos factores como son el pH del medio, pre­ sencia de oxígeno, luz, metales y otros agentes. Com o regla general, puede decirse que las vitaminas hidrosolubles, con alguna excepción (por ejem plo, la r ibo flav ina), son m is termolá- bites que las liposolubles y. además, sus pérdi­ das son superiores por arrastre acuoso. Sin em ­ bargo, las liposolubles son especialmente ines­ tables frente a la oxidación y a la lu z .. En la m ayor parte de los casos, las pérdidas de vitaminas no se deben a un solo factor aisla­ do sino a la com binación de varios. Con fre­ cuencia estos factores tienen un efecto sinérgi- co, por lo que se considera más didáctico estu­ diar la pérdida de vitaminas por separado. 6.2 .1. Vitaminas hidrosolubles A ) Vitamina C La vitamina C o ácido ascórbico se presenta fundam entalm ente en frutas y hortalizas, sobre todo en cítricos, kiwis, grosellas y patatas. Su con ten ido en alim entos de origen anim al es muy bajo. La form a natural que se encuentra en los alimentos es el isóm ero L-. La fo m a D- sólo tiene un 10% de actividad vitamínica y es la que hab itualm ente se añade a los alimentos con fines tecnológicos, no nutritivos. La estabilidad de esta vitamina se ve afecta­ da por diversos factores como oxígeno, pH , luz, enzimas y catalizadores metálicos. El ácido ascórbico en presencia de oxígeno se oxida fácilm ente y se transform a, de modo reversible, en ácido dehidroascórbico que posteriorm ente, en presencia de agua pasa a ácido 2,3-dicetogulónico con la consiguiente pérdida de actividad vitam ínica (figura 6.1). Esta transform ación varía con las condiciones del medio, siendo los factores de m ayor in­ fluencia la presión parcial de oxígeno, el pH, la tem peratura y la presencia de iones metálicos, sobre todo C u1' y FeJ*. La influencia del p H en la degradación oxi- datíva del ácido ascórbico es también diferente en condiciones de aerobiosis o anaerobios^, ¡n- FiCUtA ó . 1. Pérdida de actividad vitamínica del ácido ascórbico. I): ácido ascórbico. 2): ácido dehidroascórbico. 3): ácido 2,3-dicetogulónico. En leche, ¡a tiamina se encuentra como lia- m ina libre (50-55% ), fosforilada (18-45% ) y unida a las proteínas (5-17%). Las pérdidas de esta vitam ina son proporcionales a la intensi­ dad del tratam iento, produciéndose las mayo­ res d u ran te la evaporación (cuadro 6.3). Las pérdidas ocasionadas en la leche en polvo son variables, dependiendo de la tem peratu ra de almacenam iento y del acceso de oxígeno. CUaDXO 6 3. Pérdidas {%] aproximadas d» vitaminas 3, y 3,, en leen» sometida a diferentes tratamientos térmicos. Tratamiento 8, ®ii Pasterización 5 7 Ebullición 5-10 30 Esterilización hidroslálico 25-50 75-80 Tratamiento UHT 5-10 10 Evaporación 50 70-90 Desh id rotación 20-25 20-35 E n las leches fermentadas hay pérdidas de tiamina debido a que es utilizada por las bacte­ rias lácticas para su crecimiento. Actualm ente, este problem a se evita con el uso de cultivos mixtos e incluso puede haber sobreproducción de tiamina utilizando microorganismos produc­ tores de esta vitamina. En frutas y hortalizas deshidratadas, en las que se u tiliza sulfito para inhibir el pardea­ miento enzimático, se puede producir una de­ gradación parcial de la tiamina, debido a que el ión sulfilo reacciona con la pirim idina, sobre todo en m edio neutro, rindiendo com puestos sin actividad vit.unínica. E n los productos elaborados a partir de ex­ tractos de pescado la pérd ida de tiam ina se atribuyó in icialnente a la presencia d e una en­ zim a con actividad an titiam ina (tiam inasas). Sin em bargo, recientemente se ha dem ostrado que el factor antitiamina procedente de la car­ pa es term oestable, por lo que probablem ente no se trate de ur.a enzima. C) Vitamina 3¡ o riboflavina Se encuentra principalmente en leche y pro­ ductos lácteos, huevos, carne y derivados y al­ gunas hortalizas La riboflavina tiene gran importancia como grupo prostético de las flavoproteínas (las enzi­ mas asociadas a esta vitamina) que actúan fun­ dam entalm ente en el m etabolismo proteico. Es una vitamina bastante estable en las con­ diciones habituales de procesado y alm acena­ m iento de alimentos, reteniéndose hasta un 90% . Se m antiene estable frente a los tra ta ­ mientos térmicos, al oxigeno y en soluciones áci­ das. A medida que aumenta el pH disminuye su estabilidad y en medios alcalinos se destruye rá­ pidam ente. Es muy fotolábil, transform ándose en lumiflavina en soluciones ligeramente alcali­ nas m ediante una reacción fotoquímica (figura 6.5). La lumiflavina presenta un poder oxidante HjC-(CHOH) j-CHjOH | nXo- c h 3n N N o f Y Y í ,uz ,CH' r N N O CHa N O CHa k T ' n h 0 Riboflavina Lumiflavina Figura Ó.5. Transformación de riboflavina en lumiflavina en presencia de luz. mucho-mayor que la riboflavina y por !o tanto, puede catalizar la destrucción de otras vitami­ nas. La desactivación de riboflavina es directa­ mente proporcional a la intensidad lumínica. En soluciones ácidas o neutras la irradiación puede producir también cantidades varübles de lumi- flavina junto con otras sustancias. La reacción de la riboflavina con la metionina, favorecida por la presencia de luz, es la responsable del lla­ mado sabor a luz de leches y vinos Las radiaciones ionizantes pueden destruir el 25% de esta vitamina. E n carnes cocinadas se han observado re ­ tenciones superiores al 90%, del mismo orden que las obtenidas en carnes congeladas. Tam ­ poco se han de tectado disminuciones im por­ tantes (5% ) de riboflavina en leche pasterizada y esterilizada. La mayor destrucción ocurre en leche evaporada (aproximadamente el 10%). Las pérdidas de esta vitamina en conservas vegetales son variables, oscilando entre un 25- 50% , incluyendo las debidas a !a lixiviación que son las más importantes. D) Ácido nicotínico Se encuentra en cereales, hortalizas y en ali­ m entos de origen anim al como carne, leche, huevos y pescado. El ácido nicotínico (figura 6.6) y su amida reciben con frecuencia el nombre de niacina. La nicotinam ida en form a de nicotinam ida- adenina d inudeótido (N'AD*) o NAD-fosfato es la coenzima de las deshidrogenasas. Figura ó .ó . Estructuro del ácido nicoh'nica. La ausencia d e niacina. en .la dieta.provoca, la pelagra. Probablem ente es la vitamina más estable y no se ve afectada de form a apreciable p o r el calor ni la luz en el rango de pH habitual de los alim entos. L as pérdidas m ás im portantes se producen por lixiviación, siendo éstas del mis­ mo orden que las de otras vitaminas hidroso- lubles. En la cam e y productos cárnicos es estable durante el cocinado y en las operaciones de los distintos procesos; las pérdidas son algo mayo­ res durante la cocción a fuego lento que duran­ te la fritura y el asado. En leche pasterizada y esterilizada práctica­ m ente no se producen pérdidas. En el yogur, el contenido de niacina es superior al contenido en la leche original, estando en función de los microorganismos empleados. Las pérdidas en productos vegetales duran­ te la cocción a vapor son muy pequeñas, del o r­ d en del 10%. Son m ayores en las conservas, donde pueden llegar hasta un 70-75%, debido principalm ente a la lixiviación, pasando al lí­ quido de cobertura. E) Vitamina B i o piridoxina Se encuentra en alim entos de origen animal y vegetal en form a.de fosfato, principalmente en cam e, pescado y algunos cereales. Hay tres sustancias que presentan actividad vitamínica (figura 6.7); piridoxal, piridoxina o piridoxol y piridoxamina. Estos com puestos están muy relacionados entre sí, de tal forma que la contribución de las distintas sustancias a la actividad vitamínica to­ tal de un alim ento es diferente antes y después de haber sido sometido a diferentes tratam ien­ tos. La transformación de unos compuestos en otros se produce fácilmente m ediante reaccio­ nes enzimáticas y no enzimá ticas. El piridoxal es la forma más estable y es la que se usa habi­ tualm ente para enriquecer los alim entos con esta vitamina. Estas tres formas, po r radiación medio entre 5 y 8, por lo que apenas se han de­ tectado pérdidas en los alimentos procesados y cocinados. Sólo se han observado pérdidas en productos vegetales enlatados, del orden de un 40-45% debidas principalmente a la lixiviación. El ácido nitroso puede destruir la actividad biológica de la biotina debido a que se forma un derivado de nitrosourea. La avidina pre­ sente en la clara de huevo crudo, se puede unir a la biotina con la consiguiente inactivación de la vitamina. La deficiencia de biotina en el hombre es muy rara ya que los microorganismos presentes en el tracto intestinal la sintetizan de torma abundante. 6.2.2. Vitaminas liposolubles A ) Vitamina A La vitamina A o retinol (figura 6.10) se en­ cuentra presente en alimentos de origen animal como son hígado de peces y de mamíferos, le­ che y huevos. Los carotenoides con actividad vitamínica A abundan en alimentos de origen vegetal com o zanahorias, espinacas, tomates, naranjas, etc. Los carotenoides animales son siempre de origen vegetal. Se conocen más de 80 sustancias con actividad vitamínica A, sien­ do la más representativa el ^-caroteno. Los carotenoides presentan la estructura de los hidrocarburos, per lo que son sustancias li­ posolubles-que acompañan de forma natural a otras sustancias lipídicas. El fj-caroteno se en­ cuentra unido a proteínas tacto en tejidos na­ turales com o en alimentos. FlGURA ó. 10 . Estructura del retinol (vitamina A). El efecto del calor en la vitamina A y los ca­ rotenoides es diferente en presencia o ausencia de oxígeno. Si no hay oxígeno pueden aparecer isomerizaciones, transform aciones y fragm en­ taciones que pueden dar lugar a una pérdida de hasta un 50% de actividad vitamínica, d e ­ pendiendo de la naturaleza del carotenoide y de la intensidad del proceso. En presencia de oxígeno se producen pérdidas más im portan­ tes, pudiendo llegar a ser total si estas reaccio­ nes de oxidación se ven potenciadas por d e te r­ m inadas enzimas (lipoxigenasas) o en presen­ cia de luz e iones metálicos. La actividad vitamínica en carne y leche se debe al retinol y p-caroteno, m ientras que en cereales, frutas y hortalizas deriva del p-carote- no, otros carotenos y xantofilas. En teche pasterizada y esterilizada no se observa un m arcado descenso en el contenido en recinoides si no hay acceso de luz y oxíge­ no. La vitamina A añadida a la leche descre­ mada es la responsable del sabor a heno ya que puede sufrir una ox idación p rovocada por la luz y potenciada por tratam ientos té r­ micos. Si la leche descrem ada en riquecida con vitam ina A se desh id ra ta , la vitam ina puede ser estable durante m ucho tiem po si se alm acena en buenas condiciones y protegida de la luz, aunque se han observado pérdidas de un 10% aproxim adam ente, lo que en p rin ­ cipio se ha atribuido a los procesos de instan- taneización. La m antequilla alm acenada duran te tres meses presenta unos niveles de pérdidas de un 9-14% de carotenoides y un 15-21% de retinol respecto a la mantequilla fresca. En los productos cárnicos no se han detec­ tado pérdidas sustanciales de actividad vitamí­ nica, debido a que los recinoides son bastante estables durante el procesado de alimentos. En frutas y verduras tratadas térmicamente la destrucción de la actividad vitam ínica d e ­ penderá de las condiciones de m anejo y alm a­ cenam iento, es decir, un escaldado correcto que inhiba la actividad enzim ática, envasado en materiales opacos, etc. Capitulo 6: Vitaminas, minóralas y enzimas 1 1 3 En lo:; alimentos deshidratados se pueden presenta: pérdidas de vitamina A durante el al­ macenan-¡ento debido a la posibilidad de oxi­ dación. La velocidad de desactivación de esta vitamina, igual que la oxidación lipfdica, de­ penderá. adem ás de la presencia de oxígeno, de las encimas, actividad de agua, temperatura y atmósfera de almacenamiento. B) Vitamina D Presentan actividad vitamínica D un grupo de sustancias liposolubles derivadas de los esteróles; las más importantes son la vitamina D} (colecal- ciferol) y vitamina D 2 (ergocalciferol), que difie­ ren en las cadenas laterales (figura 6.11). Las principales fuentes de esta vitamina son los aceites de hígado de pescado, encontrándo­ se tam bién presente en mantequilla, yema de huevo y leche. No se encuentra en productos vegetales. La vitamina D se forma a partir de sus p re­ cursores por radiación ultravioleta. Puede ha­ ber una pérdida total de actividad vitamínica por una irradiación muy intensa, pero esto prácticam ente no tiene lugar en condiciones norm ales de procesado y alm acenam iento de alimentos, excepto en el caso de esterilización con radiaciones ionizantes. En condiciones de alm acenam iento inade­ cuadas. es decir, a tem peraturas y humedades relativas elevadas (climas tropicales) puede ha­ ber pérdidas de esta vitamina. Por ejemplo, la vitamina D,, que es menos estable que la vita­ mina D2, se puede perder en un 90% durante un alm acenam iento de 24 días a 25 °C y una humedad relativa del 3S%. Esta vitamina es sensible a! oxígeno y su de­ gradación es proporcional a (a presión parcial del gas; su estabilidad en alimentos almacena­ dos en condiciones anaeróbicas no presenta ningún problema. No se han descrito pérdidas duraate la pasterización y esterilización de la le­ che, ni durante la deshidratación y evaporación. En términos generales, la estabilidad de es­ ta vitamina en los alimentos no parece repre­ sentar ningún problem a teniendo en cuenta, además, que las necesidades del adulto están aseguradas. C) Vitamina K La actividad vitamínica K la presentan las naftoquinonas y sus derivados. Estos compues­ tos se encueraran presentes en las hojas verdes de las hortalizas y en el hígado de los animales; además, son sintetizadas por las bacterias intes­ tinales por lo que las deficiencias en esta vita­ mina son muy raras. Las naftoquinonas y sus derivados, tanto los obtenidos de forma natural como los sintéticos. FiGURA 6 .11. Estructuro dd eolecolciferol y ergocalciferol. se consideren b asu n te estables en les condicio­ nes habituales de procesado y almacenamiento de los alim entos debido a que la reactividad del grupo quinona es relativamente baja. En los alimentos, la vitamina K se encuen­ tra ligada a las proteínas, al menos parcialmen­ te, lo que influye en su estabilidad. Es estable al calor y a la presencia de oxígeno pero puede haber ligeras perdidas en presencia de luz. En los productos vegetales tratados térm i­ cam ente no se han detectado pérdidas en el contenido en vitamina K. D) Vitamina E E sta vitam ina liposoluble se encuentra am pliam ente d istribuida en la naturaleza en alim entos de origen animal y vegetal, siendo especialmente abundante en los aceites vegeta­ les. Presentan actividad vitamínica el c-tocoíe- rol (figura 6.12) y otros isómeros naturales. To­ dos los compuestos que poseen actividad vita- mínica E tienen un grupo hidroxilo en el anillo benzénico que puede estar esterificado. encon­ trándose, de forma natural, tanto los libres co­ mo ios esteríficados. El acetato de a-tocoferol se usa como aditivo alim entario porque es más resistente a la oxidación que el tocoferol libre. Los tocoferoles son term oestables pero se oxidan muy fácilmente sobre todo en presencia de ión férrico formándose radicales libres. La actividad antioxidante, que se ha usado en la Industria A lim entaria desde hace más de SO años, es inversam ente proporcional a la vida media d e los radicales libres y depende del m e­ dio. Durante el almacenamiento de alimentos vegetales, los tocoferoles presentan un débil carácter antioxidante, siendo mucho más acti­ vos frente a grasas animales, especialmente en presencia de sustancias sinérgicas. El efecto de los tratam ientos tecnológicos en la pérdida de vitamina E es im portante en todos los procesos que implican una separa­ ción de la fracción lipldica o una hidrogena- ción. Los tocoferoles presentes en aceites de semillas se pierden parcialm ente (30-45% de pérdida) cuando los aceites crudos se someten a un refinado para elim inar los olores no de­ seables. Estas pérdidas son particularm ente im portantes en la fase de neutralización con álcalis (los tocoferoles se oxidan más rápida­ mente en medio alcalino), en el blanqueado y en los vapores de destilación que se producen. En la hidrogenación de aceites vegetales tam ­ bién se producen pérdidas de tocoferol que os­ cilan entre 30 y 50%. Durante el procesado y almacenamiento de came y productos cárnicos, leche y derivados y cereales hay pocos cambios en el contenido en tocoferol. Por ejemplo, en leche pasterizada se han detectado pérdidas de un 5% aproximada­ mente. El uso de algunas sustancias químicas como el peróxido de hidrógeno puede dar lugar a oxidaciones y, por lo tanto, a una pérdida de actividad vitamínica. 6.2 3. Minerales La presencia de minerales en los alimentos es muy variable ya que depende de muchos íac- fiGUR* 6 12. Estructuro del e-tocoíero! tores. siendo los más im portantes la composi­ ción del suelo en el caso de las plantas y la dieta en el caso de los alimentos de origen animal. La pérdida de minerales en los alimentos so­ metidos a diferentes procesos es muy pequeña, en comparación con la que sufrer tas vitaminas. Las mayores reducciones se deben al arrastre de los minerales solubles en agua, por lixiviación, y a las separaciones físicas que tienen lugar duran­ te la molienda y otras operaciones como pelado, etc. También es necesario tener en cuenta que hay sustancias minerales que pueden interaccio- nar con otros com ponentes de los alimentos dando lugar a compuestos no asimilables por el organismo. En este caso, aunque no hay una pérdida real, en la práctica hay una reducción de la biodisponibilidad de los minerales. 6 2 d. Pérdida de vitaminas durante el almacenamiento Com o se ha dicho anteriorm ente, siempre hay pérdidas de vitaminas tanto en el procesa­ do com o duran te el alm acenam iento de ali­ mentos. Los cálculos para conocer exactamen­ te la pérdida de vitaminas durante el almacena­ miento de los alimentos son muy complicados, ya que hay que saber cuáles son las reacciones químicas más probables, cómo van a evolucio­ nar a medida que se agotan los distintos com­ ponentes, cuál es la influencia en la velocidad de las reacciones químicas de diversos factores como son el pH, tem peratura, potencial redox, actividad de agua, etc. En términos generales, para poder estimar las posibles pérdidas de vitam inas en un ali­ mento alm acenado es imprescindible conocer como mínimo: a) La composición inicial del nutriente. b) Las condiciones de tiempo y tem peratu­ ra en las que el alimento se almacena y la de los canales de distribución, puesio que las reacciones quím icas son tem ­ peratura dependientes. Adem ás, puede haber modificaciones en la velocidad de reacción por pérdida de actividad enzi­ mática. por agotam iento de uno o m is reactivos, por variaciones en el desarro­ llo de la reacción e incluso por influencia de crecimiento microbiano. c) Características del envase: perm eabili­ dad al oxígeno, al vapor de agua y a la luz. La composición de la fase gaseosa presente en el interior del envase tam ­ bién es im portante, principalm ente en relación con la presencia de oxígeno. El paso de vapor de agua o el cambió de la humedad relativa también puede influir ya que la actividad de agua es un factor decisivo en las reacciones químicas. d) La influencia de factores am bientales: luz. humedad relativa, etc. Su im portan­ cia está relacionada con las caracterís­ ticas del envase. 6.3. Adición de nutrientes a los alimentos La Tecnología de los Alimentos tiene como misión ofrecer productos seguros, con una vida útil determinada y con un valor nutritivo ade­ cuado. En todo ello, las vitaminas y minerales juegan un papel im portante. En ocasiones, conviene añadir ciertos nutrientes para dotar al alimento de una mejor calidad nutritiva o repo­ ner las pérdidas habidas durante el procesado. La adición de nutrientes se engloba bajo diver­ sos términos: a) Reposición o restitución: adición de nu­ trientes a aquellos alimentos que duran­ te su procesado tecnológico han podido perderlos. Es decir, se trata de reponer el contenido original de nutrientes. b) Fortificación: adición de nutrientes en cantidades considerables, suficientes pa­ ra que resulte un producto que tenga un contenido superior al original. Se pueden añadir nutrientes a alimentos que origi­ nalmente carecían de ellos. c) Enriquecim iento: adición de cantidades específicas de determ inados nutrientes, seleccionadas según las norm as definidas por reglamentaciones de organismos ofi­ ciales. d) N utrificación: es un térm ino genérico que incluye cualquier adición de nutrien­ tes a un alimento. A veces, también se añaden vitaminas a los alim entos desde un punto de vista tecnológico; es el caso de las vitaminas C y E, que tienen ac­ ción antioxidante debido a sus propiedades de fijar oxígeno y evitar que pueda ejercer efectos adversos en el alimento, o los carotenoides que se emplean como colorantes. Todas las vitaminas que se añaden a los ali­ mentos son vitaminas sintéticas. La adición de nutrientes a un alimento es claram ente beneficiosa, como ha quedado de­ m ostrado con la erradicación casi total de en­ ferm edades carenciales en países desarro lla­ dos. Sin em bargo, también podría conllevar un riesgo potencial para los consumidores por lo que algunos organism os, com o la FO A, há emitido unas normas generales sobre el tipo de alimento, tipo de nutrientes y cantidades aña­ didas que deben ser suplementadas. L a estabilidad de las vitaminas en los ali­ m entos restituidos o fortificados es un factor m uy im portante a tener en cuenta. Se han he­ cho estudios para contro lar el porcentaje de pérdidas de nutrientes en los cereales de desa­ yuno, obteniéndose resultados excelentes. Esta retención se debe, sin duda, a la estabilidad de las formas químicas de las vitaminas usadas y a los alimentos empleados para su nutrificación. Ó.4. Enzimas Las enzimas son proteínas globulares solu­ bles sintetizadas por los organismos vivos con la finalidad específica de catalizar las reacciones bioquím icas que de o tra forma no ocurrirían bajo las condiciones fisiológicas habituales. Las ventajas de utilizar enzimas en la elabo­ ración de alimentos derivan de su capacidad para catalizar reacciones dete rminadas, debido a su gran especificidad, sin originar reacciones secundarias. Además, son acá vas en condicio­ nes m oderadas de pH , tem peratura y a bajas concentraciones por lo que se puede controlar fácilmente la velocidad de reacción mediante el ajuste de estos parámetros. La mayoría de los preparados enzimáticos comerciales se elaboran a pattir de microorga­ nismos, debido principalmente a que: a) Es posible encontrar un microorganismo productor de cada enzima, al menos teó­ ricamente. b) Los microorganismos se pueden modifi­ car por mutaciones o cambios genéticos de forma que proporcionen una mayor producción de una determinada enzima. c) La recuperación de enzimas es muy fácil ya que la mayoría de las producidas por microorganismos son extracelulares. d) Utilizan materias primas baratas. e) Los microorganismos tienen un alto índi­ ce de crecimiento y de producción de en­ zimas. No obstante, además de las enzimas micro­ bianas también existen preparaciones com er­ ciales de origen animal y vegetal. 6.4.1. Enzimas endógenas en los alimentos Las enzimas están presentes de forma natural en los alimentos, pues provienen de los tejidos de plantas y animales o de microorganismos. Muchas de ellas son responsables de numerosas modificaciones que tienen lugar en los alimen­ tos. Estos cambios pueden ser beneficiosos o perjudiciales. Así, por ejemplo, a veces ciertas enzimas son responsables de (a alteración de productos vegetales tTas su recolección, partici­ pan en la alteración de tejidos animales y en las modificaciones de color, olor, textura y valor nu- iritivo d i nuches ziimsntos, su ios cjus en slju* nos casos resulta positivo y, en otros, conlleva una pérdida de la calidad sensorial y nutritiva. Además, colaboran también en los cambios que tienen lugar durante la transformación de una materia prima en un producto nuevo, como es el caso de quesos, embutidos y otros. Es tan numerosa la presencia de enzimas en los alimentos que aquí sólo se van a citar las h¡- drolasas y oxidorreductasas, que se consideran las más importantes. /A) Hidrotasas 1. AmUcsos: actúan hidrolizando el alm i­ dón. Son importantes en la maduración de la fruta ya que proporcionan los azúcares que contribuyen al dulzor. Igualmente, intervienen en la elaboración de la cerveza y la panifica­ ción favoreciendo la ferm entación de los mi­ croorganismos al proporcionar los azúcares pa­ ra que ésta se pueda llevar a cabo. 2. Peuiinasas: son muy im portantes en los productos vegetales ya que al hidrolizar las sus­ tancias pécticas son tas responsables de las mo­ dificaciones de la textura de las frutas y hortali­ zas durante su maduración, almacenamiento y procesado. 3. Prouasas: actúan degradando las proteí­ nas por hidrólisis de los enlaces peptídicos. Las proteasas endógenas más im portantes son. probahiaaenze. las de la came, que inter­ vienen en su ablandamiento durante la conver­ sión del músculo en cam e ■: durante su poste­ rior almacenamiento. Las más importantes son las cuepsinas y las calpaínas, aunque son mu­ chas más las que participan en los cambios post-mortales. En la leche hay que destacar la proteasa ári­ da que contribuye a la proteolisis que tiene lu­ gar durante la maduración de ciertos tipos de quesos, sobre todo si la leche no se ha pasteri­ zado. En leche también hay una proteasa alca­ lina, la plasmina, cuya actividad recae funda­ mentalmente, sobre la B-caseína. 4. Esterases: hidrelizzn los enlaces éster de los triglicéridos. Se encuentran de forma abun­ dante en aiimentos de origen animal y vegetal. Las más im portantes son las (¡pasas, que libe­ ran ácidos grasos libres a partir de los triglicéri­ dos, propiciando la aparición de sabores y olo­ res característicos, unas veces deseables y otras no; así, a partir de grasa láctea, mediante la ac­ tuación de las lipasas de la leche, se pueden formar ácidos grasos de cadena corta, respon­ sables de su enranejam iento hidrolítico. Sin embargo, un cierto grado de hidrólisis puede ser beneficioso en algunos tipos de queso. B) Oxidorreductasas 1. Fenolasas: actúan oxidando los compues­ tos fenólicos dando lugar a compuestos pig­ m entados; son las responsables del pardea­ miento enzimático de muchas frutas y hortali­ zas. A veces, la aparición de color es deseable, como ocurre con las uvas pasas y las hojas de té fermentadas. 2. Lipoxigenasas: catalizan la oxidación de los áridos grasos insaturados, mediante un me­ canismo que no está totalm ente aclarado. Su efecto en los alim entos puede ser perjudicial pues actúan como un prooxidante iniciando el enranriam iento oxidativo de los lípidos. Parece que son las principales responsables de los sa­ bores y olores extraños en las legumbres alma­ cenadas. 3. Peroxidasa: se encuentra en los produc­ tos vegetales donde puede modificar el sabor, color, olor y valor nutritivo de éstos, por degra­ dación oxidativa de diferentes compuestos. Se utiliza como indicador del escaldado, ya que es bastante resistente a la inactivación por calor. Se asume que la destrucción de la peroxidasa implica la destrucción de las otras enzimas de interés. La lactoperoxidasa se utiliza como Indice para saber si un tratam iento pasterizante ha si­ do excesivo. Por otra parte, también interviene en la oxidación de los líoídos, ¿sta.exxanaz.de— generar com puestos oxidantes muy potentes, capaces de destruir microorganismos; es decir, presenta una función antimicrobiana (sistema lactoperoxidasa tiocianato). 4. Catalasa: Su función es la descomposi­ ción del peróxido de hidrógeno derivado del metabolismo celular. 6.4.2. Utilidad de las enzimas en Tecnología de los Alimentos La utilidad de las enzimas en las industrias alimentarías se basa en tres aspectos: A) Análisis de alimentos: debido a la gran especificidad que presentan las enzimas, se pueden em plear para analizar componentes es­ pecíficos de los alimentos sin necesidad de pro­ cedim ientos de purificación muy complejos, pudiéndose detectar cantidades del orden de lOng. E l sustrato a analizar debe ser el factor limitante, po r lo que debe haber cantidad sufi­ ciente de activadores, cofactores, etc., para sa­ turar la enzima. La principal ventaja que aporta el uso de enzimas en los análisis de alimentos es la gran sensibilidad y rapidez (minutos), mientras que los principales inconvenientes radican en el elevado coste y en que hay que conocer y con­ tro lar perfectam ente la especificidad de la en­ zima. B) indicadores de tratam ientos tecnológi­ cos: La presencia o ausencia de enzimas en los alimentos y las alteraciones que se hayan pro­ ducido en su distribución normal en los siste­ m as celulares pueden utilizarse como indicado­ res analíticos de la calidad y la historia de un alimento determ inado. Así, la inactivación de la fosfatasa alcalina en la leche se utiliza como indicador de una correcta pasterización. La modificación de localización tisular o celular de una enzima puede indicar si un alimento deter­ m inado ha sido congelado y descongelado, ya que en estos procesos se rompen las membra­ nas biológicas. E l aum ento o dism inución de dertas actividades enzimádcas, como las dipep- tidasas de origen microbiano, se puede utilizar para determ inar la vida útil de la carne refrige­ rada. C) Procesado de alim entos: con la utiliza- ción de enzimas en las industrias alim entarias se persigue m ejorar el proceso de producción de alimentos, reducieodo el coste y obteniendo mejores productos finales. Las principales apli­ caciones son m ejorar el sabor, color, textura, aroma, digestibilidad y viscosidad; alargar la vi­ da útil del producto envasado y/o elim inar al­ gunas características no deseadas que se en ­ cuentren presentes inicialmente. Las enzimas, pues, desem peñan un papel muy im portante en la elaboración de alim en­ tos. u n to en los productos tradicionales como en los nuevos. Las transformaciones que tienen lugar de forma natura] por enzimas endógenas, pueden ser orientadas o potenciadas m ediante el uso de enzimas añadidas intencionadam ente a los alim entos, es decir, m ediante enzim as exógenas. 6.4.3. Apllcoción de enzimas exógenas en la elaboración de alimentos La posibilidad de conseguir enzimas a gran escala y a precios razonables dio lugar a que la Industria A lim entaria considerara la posibili­ dad de usar enzimas exógenas en la producción de alimentos. Sin embargo, el uso de estas enzi­ mas es relativamente limitado debido a la esca­ sa comercialización de las mismas, la posibili­ dad de em plear m étodos alternativos, la difi­ cultad en la accesibilidad de la enzim a al sustrato, los tipos de reacción, las condiciones específicas de las reacciones y las implicaciones legales. Las enzimas que tienen mayor aplicación en la elaboración de alimentos son: A) Hid rolas as Es el grupo de enzimas que más se utiliza en Tecnología de los Alimentos. D entro de este grupo se encuentran: 1. Proteasas. Se pueden o b tener a partir del estómago de animales, de plantas c de mi­ croorganismos. Actúan hidrolizando proteínas y polipéptidos para rendir péptidos de masa molecular más baja. Su principal aplicación es m ejorar el sabor, la textura y el aspecto de di­ ferentes productos. Algunos ejem plos de sus posibles usos son: a) Eliminación de la turbidez de la cerveza. Las proteínas que contiene la cerveza ya envasada tienden a form ar complejos in- solubles con los polifenoles y taninos cuando se enfria el producto antes de su consumo. Estos com plejos pueden dar tugar a una turbidez no deseada. Para degradar estas proteínas residuales se em plea papaína, con lo que se evita la formación de sedimentos. b) En tecnología lechera se em plean pro­ teasas en la elaboración del queso. La quim osina puede ser reem plazada por proteasas obtenidas a partir de Mucor miehei. Este tipo de enzimas, de diversos orígenes, también se está empleando pa­ ra acortar el período madurativo de los quesos duros y semiduros. ya que se con­ sigue que la proteolisis que tiene lugar durante la maduración se lleve a cabo en un tiempo más reducido. c) En productos de pastelería se utilizan proteasas p ara hidrolizar las proteínas del gluten y contro lar así la viscosidad durante la m anipulación y modificar la textura y apariencia finales. d) En la industria cárnica se emplean papaí­ na y bromelafna para acelerar el proceso de maduración de la carne y mejorar su blandura. 2. Lipasas. Se obtienen también a partir del tracto digestivo de anim ales y, sobre todo, de microorganismos. H idrolizan los triglicéridos para dar mono- y diglicéridos, ácidos grasos li­ bres y glicerol, es decir, liberan com puestos responsables o p recursores del sabor por lo que se utilizan principalm ente para potenciar el sabor de diferentes alim entos. Cabe citar, por ejemplo: a) En la industria quesera se utilizan para realzar el sabor de los quesos. b) Aum entar el sabor de la leche en el cho­ colate al hidrolizar los lípidos. c) En los productos de panadería se em ­ plean para ampliar la vida útil del pan en relación con su textura. La adición de li­ pasas aum enta la proporción de mono- glicéridos que, al unirse con el almidón, retardan la retrogradación y hacen que la miga conserve su blandura. 3. a-amilasas. Se obtienen a partir de mi­ croorganism os, fundam entalm ente Bacillus subiilis y Aspergillus oryzae. Hidrolizan el al­ midón y el glucógeno para liberar oligosacári- dos. Sus principales aplicaciones son: a) En los productos de panadería se utili­ zan para aum entar la hidrólisis del a l­ m idón rindiendo m ayor can tidad de azúcares m etaboiizabies por las levadu­ ras y conseguir así la producción del C 0 2 necesario para el esponjam iento de la masa. b) En la industria cervecera, la a-am ilasa se añade con la cebada para favorecer la hidrólisis del almidón y proporcionar, igualm ente, azúcares ferm entables por las levaduras. c) En la elaboración de jarabes a base de alm idón, favoreciendo la licuación ini­ cial. 4. p-galactosidasa. Se obtiene fundam en­ talmente a partir de mohos (Aspergillus niger). Esta enzim a ¡udroiiza la lactosa, que es un azú­ car muy poco soluble rindiendo galactosa y glucosa. En ia Industria Alimentaria se usa: a) En la producción de telados y derivados lácteos para evitar los problemas de tex­ tu ra que pudieran drrivarse de la baja solubilidad de la lactosa. Al aum entar el contenido en glucosa tam bién aumenta el sabor dulce de estos productos. b) En la preparación de leche y derivados lácteos destinados a personas deficientes en P-galactosidasa (Ia:tasa). O tras hidrolasas utilizad ís en la elaboración de alim entos catalizan la hidrólisis de enlaces específicos de carbohidratos, rindiendo dife­ rentes productos con distin a utilidad en la In­ dustria Alimentaria. Entre ellas están: (3-amila- sa, glucoam ilasa, isoamilasi, invertasa y o-D- galactosidasa. B) Oxidorreductasas D entro de este grupo, las enzimas que más se utilizan son: 1. Glucosa oxidasa. Producida por mohos, principalm ente Aspergidas r.iger. Esta enzima cataliza la oxidacióa de la glucosa con consumo de oxígeno, según la siguiente reacción: 8-D-glucosa +■ O , - » 5-D-gluconolactona + ' h a Se usa, por lo tanto, para eliminar la glucosa en aquellos productos susceptibles de sufrir modificaciones en el aroma y color como con­ secuencia de la reacción entre grupos amino y glucosa (reacción de Maillard). Se aplica fun­ dam entalm ente en alimentos a base de pau tas y huevos en polvo. Tam bién se usa en productos envasados pa­ ra m ejorar la esubilidad durante el almacena­ m iento, debido a que al consumir el oxígeno se evita !a oxidación üpídica y la degradación de compuestos aromáticos. 2. Catalasa. Se obtiene fundam entalm ente a p a rtir de m icroorganism os. C ataliza la si­ guiente reacción: 2 H ,0 2 -♦ 2 H jO - 0 2 Se utiliza combinada con la glucosa oxidasa para elim inar el H20 2 producido por esta últi­ ma. La combinación de estas enzimas perm ite alargar la vida útil de zumos de cítricos, cerve­ za y vino ya que se inhiben las reacciones oxi- dativas sin problemas secundarios. En países en vías de desarrollo, donde los sistemas de frío no están bien implantados, se puede u tilizar H20 , para conservar la leche cruda; el H20 2 residual se elimina m ediante la adición de catalasa. Igualm ente, en E stados Unidos está permitido el uso de H20 2 para la conservación de leche destinada a la e labora­ ción de quesos, y t que así se protege a la caseí­ na, que es sensible a los tratam ientos térmicos cuando ha aumentado su acidez. E n España y o tros países de la Unión Europea no está per­ mitida la adición de H jO ja la leche. 3. Lipooxigenasa. Se obtiene a partir de ha­ rina de soja. Cataliza la oxigenación de ciertos ácidos grasos insaturados rindiendo bidroperó- xidos. Se utiliza en la industria del pan para b lan­ q uear la harina, ya que los hidroperóxidos for­ m ados pueden oxidar a los carotenoides y las clorofilas formándose productos incoloros. C) Isomerasas L a más interesante es la glucosa-isomerasa, que se obtiene a partir de bacterias y mohos. E sta enzima transforma la glucosa en fructosa, con m ayor poder edu lcoran te , por lo que se utiliza para potenciar el sabor dulce. Se usa en la preparación de jarabes de almi­ dón de gran contenido en fructosa. Capitulo 6: Vitamina!, mineral*! y en, irnos 1 21 6 .4 .4 Enzimas inmovilizadas C uando se añaden enzim as solubles a un alim ento para su preparación, no pueden ser reutilizadas ya que en el m omento que el pro- ceso alim entario llega a térm ino las enzim as son inactivadas, norm alm ente por calor. A partir de los años setenta, se empezaron a usar enzimas inmovilizadas, es decir, enzimas fijas a un soporte de m anera que se pudieran recuperar para una nueva utilización con la consiguiente ventaja económica O tra ventaja es que el proceso se puede realizar en continuo y se puede controlar con facilidad la velocidad de la reacción. La inmovilización de enzimas puede considerarse como un proceso de insolu- bilización ya que impide la libre difusión del catalizador en la mezcla de reacción, que pue­ de ser separado y recuperado del m edio por simple decantación. Las enzimas están física o quím icam ente lim itadas en su m ovimiento de tal form a que es posible recuperarlas del medio de reacción m ediante acciones físicas. E l em pleo de enzimas inmovilizadas presen­ ta una serie de ventajas: a) Perm ite utilizar la enzima varías veces. b) Perm ite separar fácilmente el producto de la enzima. c) Se puede con tro lar más fácilm ente la formación de productos con tan sólo re­ tirar la enzima, por lo que bay un control más preciso de La transformación. d) Se pueden llevar a cabo reacciones multienzimáticas. e) Perm ite la fabricación en continuo. f) Perm ite el empleo de enzimas que no es­ tán aceptadas como seguras para alimen- •tr X18A5 (G tJU u Jh Regarded A s Safe). g) A um enta la estabilidad de la enzima. A ) Métodos de inmovilización de enzimas Los principales m étodos de inmovilización de enzimas son: l. Adsorción. La enzima está retenida en la superficie del soporte insoluble que se encuen­ tra en un medio acuoso mediante f jerzas físicas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno e interacciones específicas (figura 6.13). Los soportes de inmovilización, es decir, los adsorbentes, pueden ser r atúrales (or­ gánicos e inorgánicos) o polím eros sintéticos. Habitualmente se usan carbón activado, tierna de diatomeas y vidrio poroso. Para inmovilizar la enzima sólo es necesario poner en contacto físico durante un tiempo de­ term inado una disolución acuosa de ésta con el adsorbente. La unión que se logra es débil y su estabilidad está basada más en la cantidad de fuerzas implicadas que en la calidad de las mis­ mas. Por esto, a veces, la enzima puede liberar­ se del adsorbente con cierta facilidad por cam­ bios de tem peratura, pH, fuerza iónica o con­ centración de sustrato. Las principales ventajas de la inmovilización por adsorción son la senci­ llez del m étodo y que no se ve afectada la con­ formación dé la enzima y, por lo tanto, su acti­ vidad. FlGUtA 6 . 13. InmovtUzooón de enzimas par adsorción. 2. interacción iónica. E s u unión se basa en las atracciones electrostáticas que se establecen en tre las cargas de distinto signo que presentan en su superficie U nto el soporte como la enzi­ ma (figura 6.14). Todas las enzimas se comportan en medios acuosos como polielectrolitos de superficie, es decir, los grupos ionizables se encuentran en la superficie de la molécula mientras que los res­ tos hidrofóbicos de los aminoácidos están d iri­ gidos b ad a el interior. Los grupos ionizables de las pro teínas (grupos carboxilo y grupos am i­ no) que no están com prom etidos en enlaces peptídicos pueden encontrarse, dependiendo del pH del medio: — Sin d isodar (sin carga). — Disociados y con carga negativa (~COO~)- — Disociados y con carga positiva (-N H }*). Los soportes utilizados más h a b itú a se m e son las resinas de intercam bio iónico, que pue­ den ser sintéticas o derivadas de polisacáridos. La inmovilizadón por interacdón iónica es tan send lla como la adsorción física. Sólo es necesario ag ita r una disolución de la enzim a Figura ó . 14. Inmovilizoción de enzimas por interacción iónico. con una suspensión de la resina activada o ha­ cer pasar e su disolución por una columna en la que se ha em paquetado la resina. Este tipo de unión es más fuerte que la ad­ sorción física, pero es débil en com paradón con otros métodos. Para evitar que el cataliza­ dor se separe es necesario con tro lar en todo momento la fuerza tónica y el pH del medio. 3. Unión covalente. Este tipo de unión es muy esub le ya que los átom os que unen el so­ porte y la enzima comparten pares de electro­ nes. Sin embargo, a veces ésta tiene que tratar­ se previamente y se pueden originar cambios en la conform ación de la enzim a, pudiendo ocasionar pérdidas de su actividad. La inmovi­ lización se realiza en dos partes: en la primera, el soporte se trata con un reactivo que activa alguno de sus grupos funcionales; a continua- dón, el soporte activado se m ezda con la enzi­ ma y se unen. Las enzimas inmovilizadas m ediante unión covalente no tienen, sin embargo, muchas apti- cadones en la Industria Alimentaria debido a que los reactivos empleados en este tipo de in- movilización pueden ser tóxicos. Adem ás, son métodos muy complicados y caros para llevar­ los a cabo a gran escala. La unión entre enzima y soporte puede ser: a) Directa: soporte y enzima enlazan direc­ tamente. b) Con espaciador, soporte y enzima en la­ zan m ediante una molécula espaciadora, lo que norm alm ente aum enta la activi­ dad de la enzima porque le da un mayor grado de libertad (figura 6.1S). La naturaleza de los soportes es muy diversa: a) Inorgánicos: vidrio poroso, tierra de día- torneas. b) Polímeros naturales: celulosa, dextrano, agarosa. c) Polímeros sintéticos: metacrilatos. acrila- tos, acri!am¡das. FIGURA 6.15 . Inmovilizoción de enzimas por unión cova lente. 4. Entrecruzado o unión intermolecular. Es­ te m étodo de inmovilización se basa en unir entre sí, por enlaces a m ie n te s , moléculas de enzim a, em pleando reactivos polifuncionales, dando lugar a agregados insolubles de gran m asa molecular. En este caso, la enzima fun­ ciona com o catalizador y como soporte. Una variante de este m étodo es el coentrecruzado, donde la enzim a se polimeriza entre sí y con otras moléculas inactivas. El polímero final tie­ ne m ejores propiedades mecánicas y la enzima presenta mayor actividad (figura 6.16). E l en trecruzado se coasigue incubando la enzim a con reactivos polifuncionales (normal­ m ente glutaraldehfdo) que reaccionan con los grupos e-N H , y a -N H j de la proteína dando bases de Schiff. 5. Atrapam iento. C onsiste en ta localiza­ ción de la enzima dentro de una estructura po- limérica tridimensional que impide su difusión al exterior del polímero. El tam año de los po­ ros de la matriz debe ser tal que permita el pa­ so de los sustratos y productos resultantes de la reacción, pero no el de la enzima. Figura 6 .16 . Inmovilizoción de enzimas por entrecruzado El atrapam iento de enzimas en geles poli- méricos insolubles se realiza mezclando la enzi­ ma en disolución con un m onóm ero soluble. Una vez realizada la mezcla se provoca la poli­ merización e insolubilización del polímero m e­ diante diversas estrategias. La polimerización presenta dos riesgos para ta enzima: a) Los monómeros y los radicales formados durante la reacción pueden reaccionar con la enzima e inactivarla. b) El calor generado durante la polimeriza­ ción puede inactivar la enzima. Los soportes más utilizados son los algina­ tos y las poliacrilam idas, pudiendo presentar diversas configuraciones como esferas, fibras, e tc (figura 6.17). 6. Microencapsulación. Se puede conside­ rar como una variante del atrapam iento en la cual la enzima se retiene entre membranas se- Esferas Fibras Figura 6 .17 . Inmovilizoción de enzimas por ahapamiento. imperm eables que permiten el paso de los sus­ tratos y de los productos pero no de las enzi­ mas. U na disolución acuosa de la enzima se mezcla con un monótnero hidrófilo y se emul­ siona en un disolvente orgánico inmiscible en agua. Posteriormente.-se artade un monómero hidrófobo y soluble en la fase orgánica que re­ acciona con el monómero hidrófilo formando una película de polímero en la capa límite en­ tre las fases acuosa y orgánica dando como re­ sultado la inmovilización de la enzima. Este ti­ po de inmovilización de enzimas es de gran uti­ lidad a escala industrial (figura 6.18). 7. Inmovilización en sistemas de dos fases. La enzim a es retenida en una fase y el produc­ to se puede eliminar del reactor con otra fase inmiscible en aquélla. Un posible problem a es que la enzima se puede desnaturalizar en la interfase, sobre to­ do si las fases se mezclan vigorosamente para que haya mayor contacto. En términos genera­ les, es un sistema poco agresivo y generalmente no afecta a la actividad enzimática. 8. Inm ovilización por membranas. Las m em branas se pueden utilizar para retener a las enzimas en el reactor mientras que los pro­ ductos se eliminan al exterior. Los m ateriales usados p^ira las membranas son muy diferentes y se pueden optimizar teniendo en cuenta las particularidades de cada enzima. E ste m étodo presenta la gran ventaja de que no afecta a la actividad de la enzima. La elección de un m étodo u otro de inmovi­ lización depende fundam entalm ente de cóm o afecte dicho método a la actividad de la enzima. B) Efecto de la inmovilización de enzimas La inmovilización.de enzimas puede tener varías repercusiones: 1. Inactivación durante la inm ovilización. Los m étodos de inmovilización en los que in­ tervienen enlaces químicos de los grupos fun­ cionales activos pueden tener el riesgo de oca­ sionar la pérdida de su actividad catalítica. P a ­ ra reducir este efecto se intenta que los enlaces estén lo más alejado posible de los grupos acti­ vos e, incluso, se ha propuesto que la inmovili­ zación se lleve a cabo cuando la enzim a y el sustrato estén ya unidos de forma que los gru­ pos del centro activo no intervengan e n ia unión al soporte. También puede haber inacti- Capitulo 6: Vitaminas, minóralas y enzimas 125 Figura ó . 18 Inmovilización d« enzimas medíanle miooencapsuloción. vacióa por altas tem peraturas o por otras con­ diciones desfavorables durante el proceso. 2. Efecto de la transferencia de masa. La ve­ locidad de la reacción en un proceso químico está determ inada por la formación de producto y por los efectos cinéticos. En las enzimas solu­ bles la limitación de la transferencia de masa es mínima; sin em bargo, si las enzimas están in­ movilizadas se puede crear un microambiente alrededor de éstas que limite el acceso del sus­ trato a la enzima. 3. Cambios de pH. E l tip o de m aterial utili­ zado como soporte puede tener influencia en la actividad catalítica de la enzima. Si el soporte está cargado positivamente, generará un medio básico. Si está cargado negativam ente habrá una atracción m ayor de hidrogenioaes dando lugar a un entorno más ácido. Por lo tanto, pa­ ra obtener la máxima actividad, la enzima de­ berá estar en contacto con una solución acuosa a un pH adecuado antes de su uso en un medio orgánico. 4. Proporción de sustrato y producto. La concentración de sustrato y producto en el en­ torno del soporte puede ser diferente de la del recipiente de reacción debido a las limitaciones de transferencia de masa y a la diferente pro­ porción de estas sustancias. N orm alm ente se prefiere que el disefio del sistema favorezca el acceso de sustra to y la re tirada de producto formado. 5. Estabilización por inmovilización. Cuan­ do la unión entre la enzima y el soporte refuer­ za la estructura de la m olécula, puede haber una mayor estabilidad de la enzima ya que dis­ minuye su flexibilidad, lo que conlleva una dis­ minución de la velocidad de las reacciones de desnaturalización térmica. La estabilidad de la enzim a dism inuye rápidam ente cuando aum en­ ta el contenido en agua. 6. P ropiedades catalíticas de enzim as en m edios orgánicos. La influencia de soportes o r­ gánicos p resen ta algunos efectos adicionales adem ás de los señalados anteriorm ente. D ado que se requiere al m enos una pequeña can ti­ dad de agua para que la enzima tenga flexibili­ dad y. p o r lo tan to , sea activa, es im portan te que el soporte presen te una buena hidrofilia, ya que existe una relación directa entre la hi­ drofilia del soporte y el grado de reacción o b te ­ nido con las enzim as unidas a ese soporte. 6.4.5. ¿Enzimos libres o inmovilizadas? C om o se ha visto, son muchos los factores que d eb en tenerse en cuen ta para decid ir el uso de enzim as libres o inm ovilizadas en un proceso . A ctualm en te , en la m ayoría de los procesos de la Industria A lim entaria se usan enzim as libres, aunque para algunas aplicacio­ nes la inmovilización resulta más ventajosa. La elección de enzimas libres o inmoviliza­ das depende del coste de la enzima. Si éste es bajo va a ser difícil encontrar un procedim iento de inmovilización que sea rentable económ ica­ m ente . Sin em bargo, si son caras pueden ser una alternativa atractiva. O tro aspecto im por­ tan te es saber si se perm ite la presencia de la enzim a en el producto final; si no es así, la in­ m ovilización puede ser adecuada ya que, en cualquier caso, la enzima debe eliminarse. La presencia de m ateriales sólidos tam bién puede en to rpecer el uso de enzimas inmoviliza­ das en soportes sólidos. En este caso hay que tener en cuenta las lim itaciones de la velocidad d e reacción y la posible inactivación, aunque esto se puede com pensar por el increm ento de la estabilidad de la enzim a cuando se som ete a un proceso de inmovilización. Éstas son m ucho m ás estables que las solubles, de tal forma que se pueden a lm acenar du ran te m ás tiem po, in­ cluso a tem p era tu ra am biente. Las enzim as inm ovilizadas, a d iferencia de las libres, p e rm iten los procesos en continuo. E l tiem po d e p erm anencia del su s tra to en el reac to r es m en o r en un p roceso en con tinuo que en uno d iscontinuo, lo cual :am bién resulta ventajoso si no hay reacciones cruzadas. Es evidente que son muchos los factores que hay que tener en cuenta en el m om ento de deci­ dir el uso de enzimas libres o inmovilizadas, sien­ do conveniente analizar cada case por separado. O tra a lternativa que se tendrá que tener en cuenta en un fu tu ro próxim o es el uso de célu­ las inmovilizadas, ya que, en algunos casos, en lugar de purificar las enzimas se podrán utilizar directam ente m icroorganism os, siem pre que no se produzcan, adem ás de las transform aciones buscadas, o tras no deseadas. Presentan la ven­ taja de que la m ayoría de los m étodos desarro­ llados para inm ovilizar enzim as se pueden utili­ zar con las células. A dem ás, se h a com probado que la estabilidad de los biocatalizadores es in­ cluso superior a la de las enzimas inmovilizadas. Bibliografía BELITZ. H. D. y GROSCH. W. (1997): Químico de los alimentos. Acribia. Zaragoza. DAVIDEK. J.. VELISEK. J. y POKORNY, J. (1990): Developments in food Science 21. Chemi­ cal changos during food processing. Elsevier. Amsterdam. FENNEMA, O. R. (1992): Química de los alimen­ tos. Acribia. Zaragoza. FENNEMA, O. R. (1996): Food Chemistry. Marcel Dekker, Inc. Nueva York. NAGODAW ITHANA. T. y REED, G. (1993): Enzymes in fo o d processing. Academic Press. San Diego. TUCKER, G. A y WOODS. F. J. (1991): Enzymes in food processing. Blackie. Glasgow y Londres. RESUMEN 1. tai vitamina* y minero!*! son oligonutrienles, pr*s*nt*s en los alimentos, que el organismo requiere para realizar sus actividades fisioló­ gicos. 2. tas perdidos de vitaminas en ios alimentos se producen durante las manipulaciones que se aplican o la materia prima antes de su procesa­ do, durante los diversos procesos tecnológicos oplicodos a los alimentos y durante su almace­ namiento. 3. tas perdidos de minerales son mucho menores que las de vitaminas y se deben principalmente o fenómenos de lixiviación y a su interacción con otros componentes de los olimentos. 4. Entre las vitaminas hidrosoiubies, unas son sensi­ bles oí oxigeno (por ejemplo, vitamina C y M o­ los), algunas son termoióbiles (por ejemplo, lio- mina. vilomino B|| y vitamina 8J y otros san fotolóbiies, de forma particular lo riboflavina. Doda su hidrofilia, parte de las vitaminas de este grupo puede perderse por lixiviación. 5. tas vitaminas liposolubles, de formo general, son mós termoestobles que las hidrosolubles. Sin embargo, tambiin de forma general, son más sensibles a las oxidaciones y a la luz, lo que haca que puedan producirse pérdidas importan­ tes durante el almacenamiento. ó. Tonto las vitaminas como los minerales pueden uti­ lizarse como aditivos nutritivos, cuyo odidón se denomina, genéricamente, nutrificoción. Depen­ diendo del tipo da nutrificoción, se habla de repo­ sición (adición de los nutrientes perdidos durante el proceso tecnológico), fortificación (adición de Hirientes pora obtener un producto con un con­ tenido superior al origino!) y enriquecimiento (odi- ción de nutrientes de ocuerdo con normas defini­ das por reglamentaciones oficiales). 7. Los enzimas son proteínas sintetizadas por el organismo con la finalidad especifica de catali­ zar reocdones bioquímicas, las enzimas endó­ genas de los oümensos que presentan mayar inte­ rés son las hidroiasas (por ejemplo, omilaias, pectinasas, proteasas, etc.) y oxidorreductasos (por ejemplo, peroxidasas, eatobso. lipoxigeno- sas, etc.). S. En b Industria Alimentaria, b s enzimas pueden utilizarse con diversas finalidades. Unas se usan para el análisis de ciertos componentes de b s alimentos (por ejemplo, determinación de «to­ no!. ácido láctico, glucosa, etc.), algunas se emplean poro *1 control de ciertos procesos (por ejempb. b fosfata so alcalina y lo loctoperoxi- dasa en el control de b pasterización de b leche) y otros se utilizon para b elaboración de aartos productos (por ejemplo, am ibso en b producción de pan, quimosino en b ebboro- ción de queso, etc.). 9. los enzimas inmovilizadas se fijan químico (ínter- occión iónica, unión covolente) o físicamente (entrecruzado, m icroencopsutodón) a soportes apropiados pare su uso como catalizadores de bs reacciones específicas. 7 ALIMENTOS FRESCOS En este capitulo se estudia el origen de los alimentos que el hombre consume, las causas de su alteración y, de forma esquemática, se descri­ ben las estrategias disponibles para la conservación y transformación de los alimentos. Los alimentos que el hombre consume pro­ ceden de los reinos vegetal, animal y mineral. Del vegetal consume semillas, tallos, hojas, raí­ ces, frutos, bulbos y tubérculos. Del reino ani­ mal utiliza como alimentos ciertas secreciones (leche), el tejido muscular, visceras y otros sub­ productos, huevos y miel. La contribución del reino mineral se limita, a efectos prácticos, al apone de agua y cieñas sustancias minerales. Exceptuando la miel, que debe su estabili­ dad a la baja actividad de agua (a j , los alimen­ tos de origen animal son productos altamente perecederos. La baja estabilidad se debe a las actividades de diversos agentes, destacando, en primer lugar, los microorganismos. Entre ellos y el hombre se establece una lucha por los ali­ mentos que constituye una verdadera carrera de velocidad, quien antes llega a la presa es el primero en consumirla. Sin embargo, cuando loi animales se sacrifican o cuando la leche abandona la glándula mamaria, constituyen una fácil presa para una pléyade de microorga­ nismos que disputan al hombre u n valiosa fuente de energía y materia. El desarrollo de los microorganismos en los alimentos los hace inutilizables para el consumo humano porque los usan como fuente de energía para realizar sus funciones vitales y pane de los productos de degradación los utiliza en la edificación de sus propias estructuras; su riqueza en nutrien­ tes, su elevada aw y su pH hacen que sean un medio muy adecuado para el crecimiento de una gran variedad de microorganismos que aleatoriamente llegan al producto. Cuando la tasa de microorganismos alcanza ciertos nive­ les, provocan profundas modificaciones senso­ riales (emanación de olores anómalos, apari­ ción de limosidad, acumulación de ácidos, etc.) o fisicoquímicas (precipitación de las proteínas, etc.) que convierten al alimento en no apto pa­ ra el consumo, siendo rechazado por el consu­ midor. Se dice entonces que el alimento se ha alterado. Además. los metabolitos producidos se acumulan en los alimentos convirtiéndolos. con frecuencia, en productos de naturaleza tó­ xica para el hombre. Por otra pane, cienos mi­ croorganismos (o sus toxinas), al ser ingeridos con los alimentos, pueden dar lugar a la apari­ ción de enfermedades. Pero aunque los animales muenos o los teji­ dos desprendidos de los vegetales se hallaran en un ambiente completamente estéril, su vida útil tampoco sería indefinida porque intrínse­ camente son ponadores de otros agentes alte­ rantes no menos poderosos: las enzimas autolí- cicas. Mientras que tos tejidos que constituyen los alimentos se hallan formando parte de tos seres vivos, sus sistemas enzimáticos están bajo control, de modo que sus acciones metabólicas no van más allá del punto estrictamente nece­ sario. Sin embargo, cuando las células mueren, se inactivan los mecanismos que gobiernan la actividad de estas enzimas que al ponerse en contacto directo con los respectivos sustratos acarrean la tota) destrucción autolítica de los tejidos. Pero si se pudiera evitar la acción de los mi­ croorganismos y de las enzimas autolíticas no por ello se mantendrían los alimentos en condi­ ciones adecuadas para su consumo de una for­ ma indefinida. Aún existen otros agentes que igualmente ocasionan la alteración de los mis­ mos: las reacciones químicas. El organismo vi­ vo es capaz de neutralizar estos procesos pero una vez ha muerto es imposible evitar que en el material abandonado a su propia suerte se desencadenen reacciones de los propios consti­ tuyentes de los alimentos entre sí o con sustan­ cias de origen extrínseco, como el oxígeno a t­ mosférico, que dan lugar a la acumulación de sustancias (a veces perjudiciales) que originan el rechazo del alimento por el consumidor. Es­ tas reacciones constituyen una serie de fenó­ menos muy complejos en los que no participa un solo agente sino que se ven favorecidas por diversos factores de origen físico o químico. Entre los de naturaleza física cabe destacar la luz solar, que facilita la autooxidación de las grasas y ocasiona la aparición de ciertos aro­ mas anómalos y de decoloraciones superficia- les en los alimentos. Las temperaturas excesi­ vamente elevadas favorecen reacciones perju­ diciales para la calidad de los alimentos, como las de pardeamiento no enzimático o la desna­ turalización de las proteínas. Los agentes quí­ micos capaces de causar alteración en los ali­ mentos son muy diversos pero, entre ellos, pueden citarse los ácidos y los álcalis, podero­ sos agentes desnaturalizantes de las proteínas; los metales pesados, que facilitan las reaccio­ nes de autooxidación además de ser tóxicos a concentraciones elevadas y el oxígeno atmosfé­ rico. que participa en todas las reacciones oxi- dativas que ocurren entre tos componentes de los alimentos. Existen, por último, otros agentes que pue­ den originar también alteraciones en los ali­ mentos que, más bien, son descuidos de los manipuladores y ocurren por accidentes, son los agentes mecánicos (golpes, aplastamientos, etc.); éstos además favorecen la actuación de otros agentes. Quizás, el ejemplo más ilustrati­ vo de este grupo sea la rotura de los huevos. 7.2. Estrategias de la conservación de los alimentos Si se pretende ampliar la vida útil de los ali­ mentos, es necesario luchar contra los agentes alterantes. Éste es, pues, el primer objetivo de la Tecnología de los Alimentos, es decir, la con­ servación de los alimentos. Contra los agentes físicos y químicos es. ge­ neralmente, fácil luchar. Contra la luz, median­ te el uso de envases opacos o protegiendo a tos alimentos de la exposición a ella. Contra los ácidos y álcalis que pueden ser vertidos acci­ dentalmente sobre los alimentos mediante un envasado con materiales adecuados o, si ya se han producido, neutralizándolos o empleando sustancias tampones. Contra los metales, me­ diante el empleo de un material apropiado o usando quelantes o secuestradores de iones. Contra el oxígeno, quizás el más difícil de con­ trolar, mediante el envasado a vacío o bajo at­ mósferas de gases inertes o, incluso, haciendo uso de reactivos que lo consumen. Contra los agentes mecánicos, mediante una m anipula­ ción cuidadosa o utilizando para el envasado y empaquetado materiales resistentes. La lucha contra ios agetftes biológicos, en especial los microorganismos, es mucho más difícil y es en ellos en los que fundamentalmen­ te piensa el tecnólogo de ios alimentos. De he­ cho, la mayoría de los métodos de conserva­ ción existentes se han diseAado o mejorado pa­ ra destruir los microorganismos o inhibir su crecimiento. A la Tecnología de los Alimentes le preocupa mucho menos las enzimas autolíti- cas presentes en los atimentos de origen ani­ mal, dado que, generalmente, son mucho más sensibles que los microorganismos de tal forma que cualquier tratamiento que sea eficaz para atajar el desarrollo microbiano lo es también, con muy pocas excepciones (las radiaciones io­ nizantes, por ejemplo).-para impedir las activi­ dades enzimáticas. Para que los microorganismos puedan alte­ rar un determinado alimento se precisa, por una parte, que entren en contacto con él y, por otra, que se multipliquen en el mismo. Caben, pues, tres estrategias generales de lucha: impedir que lleguen al producto, destruirlos si lo han alcan­ zado o impedir su multiplicación estableciendo condiciones disgenésicas mediante modifica­ ciones ambientales. E n relación con la primera estrategia hay que decir que. en la práctica, resulta imposible evitar que los microorgantsmos lleguen al ali­ mento. Mediante la aplicación de estrictas nor­ mas higiénicas y el empleo de buenas prácticas de fabricación se puede minimizar la conta­ minación pero nunca se puede evitar. Por ejemplo, la leche ordeñada bajo condiciones extremadamente cuidadosas contiene una tasa microbiana del orden de 10M0* microorganis­ mos/mi, y en la carne de animales sanos, aun­ que se considera que su interior es estéril, no hay forma alguna de impedir que ciertos mi­ croorganismos la alcancen durante (as opera­ ciones de matanza y carnización. No obstante. la observación de medidas higiénicas junto a ¡a modificación de las condiciones ambientales, en especial la temperatura (refrigeración) coa- lleva un aumento de la vida útil del producco fresco, lo que es muy importante en los alimen­ tos que se expenden en dicho estado, tal como la carne o el pescado. El segundo grupo de métodos para luchar contra los microorganismos es su destrucción, lo que se logra fundamentalmente con los tra­ tamientos térmicos, aunque también existe otro método igualmente eficaz pero de mucha me­ nor aplicación práctica; es el tratamiento con radiaciones ionizantes. No obstante, reciente­ mente se están desarrollando nuevos métodos, como las altas presiones o el calentamiento óh- mico u otros que son combinaciones de méto­ dos ya existentes que aumentan la eficacia bac­ tericida, como la termoultrasoaicación (aplica­ ción simultánea de calor y ultrasonidos) o la maaotermosonrcación (aplicación simultánea de calor y ultrasonidos a sobrepresidn). El tercer tipo de medidas que se pueden emplear en la lucha xontra los microorganis­ mos de los alimentos es la modificación de fas condiciones ambientales, creando unas que im­ pidan el crecimiento microbiano o que, al me­ nos, lo inhiban eficazmente. Entre estas medi­ das se pueden citar el descenso de la actividad de agua ( a j mediante la deshidratación del alimento (leche en polvo, por ejem plo) o la adición de solutos (leche condensada, por ejemplo), descenso de la tem peratura a nivel de refrigeración o congelación, descenso del pH, tal como se hace en los escabeches, adición de sustancias químicas (conservadores), modi­ ficación de la atmósfera, por ejemplo enrique­ ciéndola en dióxido de carbono o envasando el alimento a vacío, etc. La mayoría de estos mé­ todos son selectivos; no afectan por igual a to­ dos los microorganismos presentes y, por lo taoto, lo único que hacen es aumentar U vida útil en la mayoría de los casos, como ocurre con la refrigeración o envasado a vacío. De es­ tos métodos, sólo la congelación o la reducción de la a„ por debajo de valores de aproximada­ mente 0,6 detienen totalm ente el crecimiento microbiano. Otras veces, la mayoría, no se uti­ lizan estos métodos de forma aislada sino en ccnjunción con otros. Por ejemplo, en el caso de la leche condensada, la adición de sacarosa va unida a una pasterización; en el del yogur se conjugan la acidificación y la refrigeración y el de envasado a vacío va unido, a veces, a la adi­ ción de sales del curado y al almacenamiento bajo refrigeración. En el cuadro 7.1, se muestra de forma resu- nrvda las diversas estrategias que pueden utili­ zarse para controlar los diversos agentes alte­ rantes de los alimentos. 7.3. Estrategias de la transformación de los alimentos O tro de los objetivos de la Tecnología de los Alimentos es la ¿¡versificación de los mismos; con ello, se pretende elaborar unos productos salubres y apetecibles con forma y/o propieda­ des sensoriales distintas de las de la m ateria prima. U na buena parte de la Industria A li­ mentaria moderna se mueve hoy día para con­ seguir este objetivo y, de hecho, muchos de los procesos que se aplican a los alimentos sólo tie­ nen esa justificación aunque tiempos atrás su fin fuera también el de la conservación, ya que actualm ente dichos métodos han sido plena­ mente superados por otros procesos más efica­ ces. Un ejemplo muy claro es el queso; si antes era una forma de aum entar la vida útil de un producto muy perecedero, la leche, al tiempo que se elaboraba un producto nuevo, en la ac­ tualidad es posible conservar dicho alim ento mediante la esterilización o la deshidratación y, prácticamente, la elaboración de queso es un medio de ofrecer al consumidor un alimento de características muy diferentes a la leche de donde procede. Tal vez el procedimiento de-transformación más antiguo sea el ahumado, ya utilizado por el hombre prehistórico. Durante el mismo se depo­ sitan en el producto una serie de sustancias quf- Capitulo 7: Alimentos frescos 133 CUSOIO 7 .1. Estrategias para controlar los agentes alistantes de loi alimentos. Objetivo Método Fundamento Inhibición crecimiento microbiano |1), enzimas (2) y reacciones qrimicos |3| Refrigeración (1. 2 ,3) Congelación [t, 2. 3) Descenso de la temperatura Deshidrolocián (1.2) □«secación [1, 2] liofili ración (1, 2} Evaporación | i , 2| Adición de solutos (1,2) Descenso de lo actividad de agua Vacio (1,3) Atm. inertes |!, 3) Descenso de lo concentración O , Atm. modificadas [1,2) Aumento de lo concentración de CO , (1.2) descenso de la de 0 2 |2| Adición de ácidos (1,2) Fermentación ácido (I, 2) Acidificación Adición de oicobal (1) Ferment. etanólica [1] Aumento concentración de eionol Sustancias químicas (1,3| Conservadores (1) Antioxidantes (3) Destrucción de microorganismos (1|, enzimas [2] e insectos (ó) Inhibición de germinación y maduración |5| Térmizodón |t) Pasterización (1,2) Esterilización (I, 2| Irradiación (1, i . S) Aplicación de calor Aplicación de radiooonei Ionizantes BacteHocinos (i| Peróxido de hidrógeno (i] Óxido de etileno (l| Agentes antimicrobianas Evitar, de nuevo, contado con agentes alterantes Envasado Noto: Los Aiim« dones que los microorganismos produces son deletéreas; el hombre aprovecha las actividades de algunos para la elaboración de alimentos que, muchas veces, ni siquiera recuerdan a la materia prima original La forma de conseguir estos nuevos productos es a través de las fer- mentariones y tos procesos madurativos. Am­ bos son, en principio, espontáneos y son, en esencia, degradaciones de los componentes raa- yoritarios de los alimentos originales. Así, el hombre ha venido elaborando desde tiempos remotos y de forma empírica diversos aiimeo- tos, como vino, cerveza, pan, quesos, leches fer­ mentadas, embutidos, etc. Hoy se conocen per­ fectamente un número relativamente grande de fermentaciones, de las cuales las más importan­ tes son la láctica, la alcohólica, la acética y la propiónica. Son unos fenómenos en los que los carbohidratos se transforman mayoritariamente en ácido láctico, etanol, ácido acético y propió- nico, respectivamente, acontpaftados siempre en mayor o menor cuantía de otras sustancias que son de gran importancia en tanto en cuanto participan en el sabor y aroma de los productos fermentados. En diversos productos, ios proce­ sos fermentativos van acompañados de los ma­ durativos. Se deben, en esencia, a la acción con­ junta de reacciones químicas (autooxidacivas, de Streclter, etc.) y fenómenos degradativos ca­ talizados por enzimas de diversa procedencia, unas presentes naturalmente en el producto (proteasas, lipasas, etc.), algunas añadidas in­ tencionadamente (por ejemplo, la quimosina en el caso de los quesos) y otras aportadas por los microorganismos que han alcanzado el produc­ to de forma natural o han sido adicionados con ese fui. El resultado es una serie de transforma­ ciones debidas a las complejas reacciones quí­ micas y bioquímicas que ocurren durante el proceso que acarrean la degradación parcial de los componentes mayoritarios (hidratos de car­ bono, proteínas y lípidos) y la acumulación de numerosas sustancias de baja masa molecular, la mayoría aromáticas y sápidas. Durante el pro­ ceso, el producto adquiere las características fí­ sicas, químicas y sensoriales que le caracterizan. Otra forma de transformar los alimentos es mediante enzimas. En Enzimología básica preo­ cupan poco las enzimas hidrolíticás por ofrecer escasa complejidad pero, en cambio, en Tecno­ logía de los Alimentos son de máxima utilidad. Ya se ha comentado en el párrafo anterior el uso de microorganismos como tales, en defini­ tiva de sus actividades enzimáticas, en los pro­ cesos fermentativos y madurativos. Otras veces se utilizan enzimas obtenidas de microorganis­ mos o de otras fuentes biológicas, tal es el caso de la quimosina en la fabricación de queso o. modernamente, proteasas y lipasas de diversas procedencias para acelerar el proceso madura­ tivo de quesos y embutidos. O tro ejemplo de esta naturaleza lo constituye la glucosa oxid&sa para eliminar la glucosa del huevo, que ha ve­ nido a sustituir al método microbiológico (con levaduras y bacterias) que se utilizaba anterior­ mente. Con frecuencia se recurre al uso de aditivos naturales o artificiales para diversificar los ali­ mentos. Se utilizan con este fin aromatizantes y saboreantes, como citral, sacarina, aspartame. etc.; modificadores de las propiedades funcio­ nales. Entre ellos lecitina y di- y monoglicéri- dos como emulsionantes; gelatina y gomas ve­ getales como estabilizantes; almidón y pectinas como espesantes; vitaminas y minerales como fortificantes, etc., y un amplio grupo de modifi­ cadores del color, tales como amaranto, carote­ no. clorofila, bixina, etc. En la transformación de alimentos se nece­ sita muchas veces aplicar una serie de opera­ ciones para la preparación de materias primas y la elaboración de nuevos alimentos. E n tre ellas cabe citar las de reducción de tamaño (pi­ cado, molienda, etc.), las de separación (filtra­ ción, centrifugación, destilación, etc.) y las de mezcla (el amasado, por ejemplo). Muchas industrias alimentarias actuales, en un afán de responder a las necesidades sociales del momento, caracterizadas por una falta cada vez mayor de tiempo libre para destinarlo a las labores domésticas, trata de proporcionar pla­ tos cocinados y precocinados de fádl consumo. Igualmente, la necesidad de preparar comidas para colectividades ha hecho que se desarro­ llen enormemente la preparación de racioaes individualizadas para su uso en comedores co­ lectivos cercanos a las cocinas (restauración) o en sitios alejados, como aviones, trenes, feste­ jos, catering, etc. Todas las operaciones de transformación de alimentos que se han citado están destinadas, por una parte a evitar caer en una alimentación rutinaria ya que el hombre, como ser capricho­ so que es, exige disponer de una gran diversi­ dad de alimentos y, por otra a facilitar, de acuerdo con las formas de vida actuales, la ne­ cesidad diaria que el hombre tiene de ingerir alimentos. En el cuadro 7.2 se recogen de forma resu­ mida las estrategias que pueden utilizarse para la transformación de ios alimentos. C1MMO 7 .2 . E m h 9« i de lo IrooiSormoción da otonnUo». OBJETIVOS 1. Incrementar lo calidad nutritivo 2 . Modificar lo calidad Material 3 Fad&tor d coniuma é. Elaborar nuevo» alunamos S. Elaborar platos preparados MÍTOOOS Seducción da tomate: Pícodo. molienda. Mwoción Operaciones de saporación: Filtración, centrifugación, depilación, ósmosis inversa, etc. Otras operaciones Maído, «trusión, moldeado, operaciones cuGnorios, etc. Adición de aditivos' Calorantes, emulsionantes, salificantes, espesantes, etc. Adición da nutrienms (vúominas y minóralas| Fortificoción, enriquecimiento, restitución Adición de anumai Adición de microorganismos (cukivos inicia dores) RESUMEN 1. los alimentos que el hombre consume proceden del reino vegetal (semillas, tallos, hojas, raíces, frutos, bulbos, tubérculos, etc.), animal (leche, carne, huevos, miel] y mineral (a efectos prácti­ cos agua y ciertas sustancias minerales], 2. los alimentos de origen animal, debido s lot nutrientes que contienen y a la elevada o^ son pro duelos ohamente perecederos, siendo lot microor­ ganismos los principales ogentes alterón tes. 3. Aparte de los microorganismos, los alimentos se pueden alterar por acciones enzúnáticas (fundo- mentalmente enzimas autoEticas) y químicos (por ejemplo, outooxidoción de las grasas y pardeo- miento no enzimáh'co). Pueden existir otras causas de alterocián de menor relevancia (por ejemplo, aloque de insectos y roedores, causas mecánicas y climáticas, etc.) por ser fácilmente controlables. 4. Debido al carácter perecedero de los olimentos de origen animal es necesario emplear métodos para su conservación, es decir, para la cmpíio- ción de su vida útil, los métodos que dispone la Tecnología de los Alimentos paro desoctivar o inhibir los agentes alterantes se fundamentan en el descenso de la temperatura (refrigeración y congelación], descenso de la o„(deshidratoción, desecación, liofilización, evaporación y adición de solutos), descenso de la concentración de O , y aumento de b de C 0 2 [atmósferas modifica­ das), acidificación (fermentación y adición de ácidos], aumento de la concentración de ektnol [fermentación y adición de alcohol), adición de conservadores y ontioxidantes, aplicoción de co­ lor (termizoa'ón, pasterización y esteriEzoción), aplicoción de radiaciones ionizantes y uso de agentes antimicrobianos. 5. la transformación de alimentos está destinada a incrementar b calidad nutritivo, modificar b cali­ dad sensorial, focililor el consumo, elaborar nue­ vos alimentos y elaborar platos preparados. Paro elb, se dispone de diversas operaciones (reduc­ ción de tamaño, operaciones de separación, mezda, extrusión, moldeado, etc.) y se recurre o != edición de aditivos, nutrientes, enzimas y mi­ croorganismos. 8 CONSERVACIÓN POR EL CALOR En el presente capitulo se estudian los parámetros que definen la des­ trucción de los microorganismos por el calor. Igualmente, se describen los tipos de tratamientos térmicos que se aplican en la oráctica y los equipos que se utilizan para ello. 8.1. Introducción Uno de los procedimientos físicos de que dispone la Tecnología de los Alimentos para aumentar la vida útil de los mismos es la des­ trucción de tos microorganismos por la acción letal del calor. Existen dos modalidades de tra­ tamiento térmico: uno, denominado pasteriza­ ción, que pretende fundamentalmente la higie- nización del alimento, y el otro, esterilización, cuyo objetivo es la destrucción de los microor­ ganismos presentes esporulados o no, o a! me­ nos todos aquellos que puedan multiplicarse en el producto final. Con el primero se intenta conseguir un alimento exento de microorganis­ mos patógenos no esporulados y con el segun­ do, la obtención de un alimento microbiológica- mente estable para poderlo almacenar durante largo tiempo a temperatura ambiente. Entre es­ tos últimos alimentos se encuentran los deno­ minados genéricamente como conservas. Generalmente se admite que este tipo de procesado se inventó en la transición del siglo xvn t al x ix cuando Nicolás Appert, confitero francés, observó que los alimentos calentados en recipientes sellados se podían conservar durante largo tiempo si el recipiente no se abría. Los científicos de aquella época explicaron el éxito de Appert diciendo que de una forma mágica y misteriosa el aire se combinaba con el alimento evitando la putrefacción. Evidentemente, eran totalmente ajenos a lo que en la realidad ocurría. Hubo que esperar medio siglo, hasta ios descu­ brimientos de Pasteur, para explicar correcta­ mente la causa de la estabilidad de los alimentos apertizados. Desde entonces, aunque introdu­ ciendo sucesivas mejoras tecnológicas, se han ve­ nido esterilizando un buen número de alimentos por este procedimiento hasta nuestros días. 8.2. Comportamiento de microorganismos y enzimas frente a la temperatura La temperatura es uno de los agentes que más influye en el crecimiento microbiano, en la actividad de las enzimas y en la velocidad de muchas reacciones químicas. Se ajustan, pues, a la ecuación de Arrhenius: log v = -Eo/2,303 R T + log A {8.1) donde: v = velocidad de la reacción. Ea = energía de activación (J/mol). R = constante universal de los gases (8,3144 J/mol ■ K). ” T = temperatura absoluta (K). A = constante denominada factor de fre ­ cuencia. La representación gráfica de la ecuación (8.1) se muestra en la figura 8.1a, que predice que la velocidad de la reacción aumenta pro­ porcionalmente a medida que lo hace la tem­ peratura, lo que es válido para las reacciones químicas dependientes de la tem peratura, co­ mo, por ejemplo, la reacción de Maillard. Sin embargo, cuando se representa la actividad en- zimática y el crecimiento microbiano a partir de datos obtenidos experimentalmente, se ob­ tienen, respectivamente, las curvas generales b y c de la figura 8.1, que indican que ambas se ajustan a la ecuación de Arrhenius sólo en un intervalo de temperaturas. La actividad enzi- mática disminuye proporcionalmente con el FiGUXa 8.1. Representación de Arrhenius. descenso de la temperatura del medio pero al aum entar ésta, llega uo momento en que se pierde la linealidad que se debe a la desactiva­ ción de la enzima por la acción del calor. De forma similar, puede decirse que un mi­ croorganismo crece más velozmente (disminu­ ye el tiempo de duplicación, g) al aumentar la temperatura (figura S.lc) hasta un valor (tem­ peratura óptima de crecimiento) donde la grá­ fica cambia bruscamente de curso, observándo­ se primero un descenso acusado de la veloci­ dad de crecimiento y después el cese del mismo; se debe a la destrucción del microorga­ nismo por la acción letal del calor. Sin embar­ go, y a diferencia de lo que ocurre con las enzi­ mas, a medida que la tem peratura desciende desde la óptima, se observa un descenso de la velocidad de. crecimiento pero llega un mo­ mento en que se produce un punto de inflexión en la gráfica que indica que el crecimiento se hace aún más lento hasta llegar a una tempera­ tura (diferente para cada tipo o grupo micro­ biano) en que se detiene, que no necesaria­ mente tiene que ser, en los microorganismos psicrotrofos y psicrófilos, cuando se congela el medio, ya que en alimentos congelados (hasta unos -12 °C) se ha detectado crecimiento de algunos microorganismos en la fracción líquida del mismo. La disminución de la velocidad de crecimiento microbiano y su cese a medida que ia temperatura disminuye, se ha atribuido a la pérdida de actividad de las permeasas a baja temperatura y/o a los cambios en la arquitectu­ ra de la bicapa lipídica de la membrana que im­ pedirán la combinación de las permeasas con los correspondientes sustratos. 8.3. Cinética de la destrucción de los microorganismos por el calor Al aumentar la temperatura desde la óptima de crecimiento de un determinado microorga­ nismo, primero se inhibe éste, luego se provo­ can lesiones subletales en el microorganismo, pudiendo ser aún viable pero incapaz de multi­ plicarse hasta que no se repara la lesión y, si la temperatura es suficientemente elevada, se pro­ duce inevitablemente la muerte. Por tanto, pue­ de decirse, de forma general, que cualquier temperatura por encima de la máxima de creci­ miento de un microorganismo es letal para él. Los tratamientos térmicos letales provocan en las poblaciones microbianas homogéneas un progresivo y ordenado descenso de sus ta­ sas, tanto más elevado cuanto más prolongado sea el tiempo de exposición. A unque se han observado excepciones, está perfectamente es­ tablecido que la destrucción de los microorga­ nismos por el calor no es fortuita sino que si­ gue una marcha ordenada; se ajusta esencial­ mente a un curso logarítmico. Así se demostró hace casi un siglo, en 1920, para las formas es- poruladas de Bacillus sicarothermophilus y otras bacterias causantes-de la alteración fíat sour (acidificación sin producción de gas) de algunas conservas. La naturaleza logarítmica de la destrucción de los microorganismos por el calor se explica perfectamente de acuerdo con la ecuación ge­ neral de las reacciones de primer orden; N - N y f » (8.2) donde: t - tiempo. Aí, = número de microorganismos en un tiempo t. N0 = número inicia! de microorganismos. k = coeficiente de letalidad térmica (tiem­ po-'). El coeficiente de letalidad térmica define la destrucción de los microorganismos durante un tratamiento térmico. Sin embargo, en la biblio­ grafía se encuentra más frecuentemente el pa­ rámetro denominado tiempo de reducción deci­ mal (valor D) que se define como el tiempo ne­ cesario, a una temperatura determinada, para destruir el 90% de los microorganismos pre­ sentes. El valor D se calcula a partir de la gráfi­ ca de supervivencia (figura 8.2), que es la recta obtenida al representar el logaritmo del núme­ ro de supervivientes en función del tiempo. El valor D es el tiempo necesario para atravesar un ciclo logarítmico y viene definido, según se deduce de la figura 8.2, por la expresión: D = r/(log /Vfl - log Nt) (8.3) donde: D = tiempo de reducción decimal (min). t = tiempo (min). íVq = número de microorganismos original­ mente presentes. N, = número de microorganismos tr is el tra­ tamiento térmico. El valor D puede calcularse también a par­ tir de la ecuación de la recta obtenida en la grá­ fica de supervivencia, en la que: D = 1/tg a (8.4) La naturaleza logarítmica de la muerte de los microorganismos'por la acción letal del^ca- lor indica que no es posible llegar al cero abso­ luto de microorganismos, por mucho que se prolongue el tiempo de tratamiento. Por ejem­ plo, supóngase que las formas esporuiadas de Bacillus subtilis presentan un D uo ^ = 1 min. Cada minuto de tratamiento a 110 °C se des­ truirá el 90% de las células supervivientes, ob­ teniéndose reducciones sucesivas del 90%, 99%, 99,9%, 99,99%, etc., es decir, los supervi­ vientes serán 10%, 1%, 0,1%, 0,01%, etc. Co­ mo no es posible obtener una fracción de mi­ croorganismo viable, en términos prácticos las reducciones sucesivas significan que habrá una espora viable por una unidad de alimentos con­ siderada (por ejemplo, por envase), 1 por enva­ se, 1 por cada 10 envases, 1 por cada 100 enva­ ses, etc. En consecuencia, el término esteriliza­ do no implica necesariamente que el producto esté estéril en un sentido microbiológico estric­ to y, por ello, es más conecto hablar de esterili­ dad comercial, que suele situarse en valores de Í/IOM/IO5, es decir, que el tratamiento aplica­ do consiga una reducción tal de microorganis­ mos que el riesgo de alteración sea de 1 envase po r cada 10.000 o 100.000 fabricados. Evi­ dentem ente, podría aumentarse la intensidad del tratam iento térmico y conseguir un grado de esterilidad mayor pero tal posibilidad se ve limitada por los cambios químicos adversos que siempre conlleva la aplicación de calor, so­ bre todo en lo referente a la calidad organolép­ tica y valor nutritivo. El teenólogo de los ali­ mentos, pues, se enfrenta al dilema de dismi­ nuir el riesgo de alteración o elaborar un producto con los mínimos cambios en la cali­ d a d sensorial y nutritiva. Hay que llegar a un compromiso para aplicar el tratamiento térmi­ co mínimo con el que se pueda conseguir la es­ terilidad comercial, manteniendo el máximo de calidad original. La naturaleza logarítmica de la muerte de los microorganismos por el calor indica también que el lograr la reducción de la carga microbia­ na hasta un nivel deseado depende del número inicial de que se parta, lo que implica, en térmi­ nos prácticos, la conveniencia de procesar ali­ mentos lo menos contaminados posible. La relación entre el coeficiente de letalidad térmica, k, y el valor D se deduce de la ecua­ ción (8.::.)t que sepuede expresar, tomando lo­ garitmos, como sigue: log N,= -k t - log e + log N0 (8.5) k = (log Nt - log N ) • 2,303/f (8.6) cuando log log 1, se tiene que t « D, entonces: k = 2,303/0 (8.7) Para cada microorganismo, el valor D es específico de la tem peratura de tratamiento. Por ello, se requiere de un medio para relacio­ nar los valores D a cada temperatura. Se hace a través del valor z, que se calcula a partir de las gráficas de termodestrucción (figura 8.3). Éstas se construyen representando los loga­ ritmos de tos valores D en función de la tem ­ peratura. El valor z se define como el núm e­ ro de grados centígrados que es necesario aum entar o disminuir la temperatura para que el valor D disminuya o aumente, respectiva­ mente, 10 veces. El valor z viene definido por FKjUU 8.3. Gráfica de termodestrucción. la expresión siguiente, deducida de la gráfica de termodestrucción: Z = ( V r,)/(log O, - log D 2) (8.8) donde: z = número de grados (*C). T, y r 2 = temperaturas de tratamiento (#C). D x y D j = valores D a las temperaturas ante­ riores. Los valores z para las esporas bacterianas suelen situarse entre 7 y 12 *C y para las bacte­ rias no esporuladas entre 4 y 6 °G 8.4. Termorresistencia de los microorganismos La term orresistencia microbiana depende de diversos factores intrínsecos y extrínsecos. Los primeros se refieren ai tipo de microorga­ nismo de que se trate y de la forma en que se encuentren. En general, aunque hay excepcio­ nes, la termorresistencia está relacionada con la temperatura óptima de crecimiento. Los mi­ croorganismos psicrófilos y psicrotrofos son más termolábiles que los mesófilos y éstos más que los termófilos. Las bacterias esporuladas presentan una mayor resistencia al calor que las no formadoras de esporas y dentro de éstas las termófilas más que las mesófiias. En rela­ ción con la morfología y el Gram , los cocos son, habitualmente, más termorresistentes que los bacilos y las Gram positivas más que las ne­ gativas. Las levaduras y los mohos son bastante sensibles a la acción letal del calor; las ascospo- ras de las levaduras algo más resistentes que las ja m a s uegetativas y Jas esporas asexuales tien­ den a ser algo m is termorresistentes que el mi­ celio. Entre los factores extrínsecos cabe citar el pH, la actividad de agua y la composición (con­ tenido de grasa, carbohidratos, sales) del me­ dio de calentamiento. En el caso de las esporas, adquiere relevancia la composición del medio de esporuladón y la temperatura a que la bac­ teria 'esporula. Todos estos factores han sido revisados por diversos autores, por ejemplo, Frazier y Westhofí (1993) y Jay (1993 y 1996). En la práctica adquiere gran importancia el pH del alimento. Debido a ello, se ha hecho una clasificación de los alimentos respecto a es­ te ageate y a la termorresistencia de distintos microorganismos (cuadro 8.1). En este cuadro se recoge, como ejemplo, la termorresistencia típica de distintos microorganismos esporula- dos. La separación entre alimentos poco ácidos (pH > 4,5) y alimentos ácidos (pH entre 4,0 y 4,5) radica en la termorresistencia de Clostri- dium boculinum, ya que las esporas de esta es­ pede no pueden germinar en alimentos con un pH inferior a 4,5 y, por lo tanto, no es necesario tener en cuenta el concepto IZD (véase más adelante). De forma similar, la separadón de los alimentos áddos y muy áddos (pH < 4,0) se debe a que ninguna espora bacteriana puede germinar a pH inferiores a 4,0 y, por lo tanto,, se puede disminuir considerablemente la inten­ sidad del tratamiento térmico para conseguir la estabilidad tnicrobiológica. La termorresistencia aproximada de los mi­ croorganismos no esporulados se muestra en el cuadro 8.2. En este caso, adquieren importancia las bacterias patógenas no espo rulad as que han de eliminarse en los tratamientos pasterizantes. ClJAOtO 8 . 1. Tarmorraíioancia a pro xi moda da mieroorqanivnoi aiporulodo». Microorganismo ° U fC (ntin) ®io»le (mlnj 0*s x (min) AUMENTOS POCO ÁCIOOS (pH > 4.5| 1. Inrmóftlos (Mporai) l.t. AckÜfkorWwl 8. ifonlharmopliilui 1.2. Alineación gomosa Cl. ihannosocchorofyticum 1.3. Productora! SH, O . lugríteam 4*5 3-4 2 3 2. Masófilot (asporoi) 2.1. Anoaro&oi putrefactivo! O. iporoganni No 347? O. botufcwm (A y 8) 2.2. Anrobioi Facultativos 8. subtifis 0,1-1,5 0.1-0,2 0,10,3 AUMENTOS ÁC IDOS |pH A-d.5| 1. Tormófiloi (nsporas)- 8. coagulan 2. Masófifai (oiporos) 8. mocaron y 8. pofymhm Anonrobiot butíricos 0,010.07 0,10,5 0,10.5 AUMENTOS MUY ÁCIOOS (pH < 4) 1. A pH < 4 no cracan los «sporulodot 2. MmóMoi no aipoivtodoi LoctobocíUut ip ., mohos, Irvoduros. ate. 0.5-1 I. WmófiV» Snptococcut fatmopMvt 10-20 lo d o b o c P u i ip p . 10-20 rnílOlllQI 2.1. larmorruiiiaAcia ripies SatmoooKo ipp. 1-3 Ciehorichra cotí 1-3 loaobodhti ipp. 1-3 2.2. WmorrMi«i»ncia aópica MyoobocUnum O/bora^OM 10-20 SoLoootMo ttnhonborg 10-20 3. fiíoofcofe* fttudomonot trogi 1-5 Ptoudomonat fluorncani 1 -5 4. PíéfóMot Vibrio m arinn 0 ,1 Sorrobo »pp. 0.1 8.5. Valor F Es un parám etro que se usa en la industria conservera y puede definirse como el tiempo que se requiere, a una tem peratura definida, para reducir la población microbiana presen­ te en un alimento hasta un nivel deseado. Ca­ da microorganismo existente en el alimento tiene su propio valor F y el valor F que habrá que aplicar al alimento será el más elevado de los calculados. Cuando el valor F se refiere a 121 *C se designa como Fv El valor F se cal­ cula, suponiendo que el calentamiento y el en­ friamiento son instantáneos, a partir de la ex­ presión: F * D (log N9- log N,) (8.9) donde, F ■ tiempo (min) requerido para lograr el grado de reducción de la población microbiana hasta el nivel deseado. D = tiempo de reducción decimal a la tem­ peratura de tratamiento. Na = número inicial de microorganismos. = número final al que se pretende llegar. CL boculinum elabora una potente neuroto- xina cuando se multiplica en los alimentos. Co­ mo es una bacteria anaerobia y en las conservas el medio es anóxko, CL botulinum puede crecer y producir la toxina. Dada la necesidad de salva­ guardar la salud del consumidor; siempre se su­ pone, al esterilizar un alimento de pH > 4,5, que existe una espora de CL botulinum por envase y es necesario reducir su número a una espora viable por cada billón de envases (1012). es decir, que el tratamiento térmico ocasione 12 reduc­ ciones decimales; es lo que se conoce como con- ap to 12D. Se sabe que el valor F0 mínimo para las conservas de alimentos de pH > 4,5 es 2J52; se ha calculado a partir de la ecuación (8.9): F9 = D (log 1 - log 10"12) Teniendo en cuenta que ei valor Dm de las esporas de las cepas más termorrssistentes de CL botulinum es 0,21 min. Entonces, F0 » O í 1 (log 1 - log 10 li) => 242 min Éste es el tiempo mínimo que hay que apli­ car para la fabricación de alimentos esteriliza­ dos de pH > 44. Cuando se esterilizan alimen­ tos a otras temperaturas habría que calcular el F equivalente teniendo en cuenta el valor z de CL botulinum, al que se asume un valor de 10 aC. En aiimentos con un pH inferior a 44 no es ne­ cesario aplicar el concepto 12D. El cálculo del valor F de una conserva se va a ejemplarizar con un caso práctico: Se pretende fabricar sardinas enlatadas (pH 6,0) aderezadas con laurel y pimienta negra en envases de 100 g. Los análisis microbiológicos han revelado que los ingredientes, en su con­ junto. contienen l espora de B. stearothermo- phitusflOO g y 100 esporas de Cl. sporogenesfXOQ g. Los valores Dm son, respectivamente, 4 min y 14 min y la esterilidad comercial se ha esta­ blecido en 1/104. Calcúlese el F0. Hay que aplicar el concepto 12D por ser el pH > 44- Valor F0 para Cl. botulinum = 242 min. Valor F0 para B. stearothermophilus. F0 * 4 (log 1 - log 1/10*) * 16 min Valor F0 para Cl. sporogenes f 0= 14 (log 100 - log 1/104) = 9,0 min El valor F0 de la conserva será de 16 min. Todas las consideraciones hechas anterior­ m ente son aplicables cuando los calentamien­ tos y enfriamientos son instantáneos, lo que en la práctica no es siempre posible; sólo los pro­ cesos U H T se aproximan a esta situación ideal. En las conservas, procesadas en autoclaves, es imposible; la tem peratura sube lentam ente, más aún si la transferencia de caior es baja, basta alcanzar la temperatura de régimen pro­ gramada. Lo mismo puede aecirse del enfria­ miento. Puesto que para cualquier microorga­ nismo pueden considerarse como letales todas las tem peraturas superiores a la máxima de crecimiento, los efectos del tratamiento térmi­ co comienzan cuando se supera ese límite. Por ello, hay que tener en cuenta también las dis­ tintas temperaturas por las que pasa el produc­ to hasta alcanzar la de trabajo e, igualmente, durante el enfriamiento. En *1 caso de las bac­ terias esporuladas, se considera que los efectos letales manifiestos comienzan cuando se llega a tem peraturas de unos 90 *C. Es necesario, pues, determ inar el efecto letal del proceso completo; los métodos más frecuentes se basan en la construcción de curvai de calentam ien­ to/enfriamiento, obtenidas representando las temperaturas por las que pasa el centro térmi­ co del envase a lo largo del tiempo y transfor­ madas después en fracciones de tiempo. Poste­ riormente, se calcula el efecto letal para cada fracción. El efecto letal del proceso completo se puede hallar mediante métodos gráficos o matemáticos. Como en la práctica, por las ra­ zones que se explican en el siguiente apartado, no puede evaluarse el valor F para cada parti­ da, no es necesario extenderse más en este as­ pecto. No obstante, se remite al lector a obras (Stutnbo, 1973; López, 1987; Toledo, 1991) donde encontrará una descripción detallada de los métodos anteriores. 8.6. Tratamientos térmicos aplicados en la práctica El carácter perecedero de los alimentos mr hace posible que en la práctica, para cada pro­ ducto (o para cada partida), se hagan los análi­ sis oportunos para determinar la carga micro­ biana, identificar los microorganismos presen­ tes, aislarlos, propagarlos y determ inar sus parámetros termomicrobiológicos con el fin de evaluar después, con precisión, el valor F eo cada caso. Todas estas determinaciones ¡levan un tiempo demasiado largo, de tal forma que cuando se obtuvieran los resultados el alimen­ to se habría alterado inevitablemente. Por ello, en la práctica, se aplican tratamientos térmicos normalizados que se han calculado previamen­ te teniendo en cuenta la carga microbiana nor­ mal que los distintos productos pueden presen­ tar y la termorresistencia de una serie de mi­ croorganismos que se han aislado, con mucha frecuencia, de conservas alteradas. Para los alimentos poco ácidos (pH > 4,5), como la carne, leche, pescado y algunas horta­ lizas, es necesario tener presente la posible pre­ sencia de CL botulinum y, por lo tanto, se re­ quiere aplicar el concepto 12D. Consecuente­ mente, el valor Fa mínimo es de 2,52 minutos. Sin embargo, como el alimento puede contener microorganismos esporulados más termorresis- tentes que CL botulinum, el tratamiento térmi­ co puede ser suficiente desde el punto de vista de salud pública pero insuficiente para lograr ia esterilidad comercial. Por ello, es necesario aum entar la intensidad del tratam iento. Los valores F0 que se aplican son, pues, superiores, del orden de 10-12 minutos, con lo que se con­ siguen reducciones de 7-8D respecto a las for­ mas esporuladas del microorganismo (CL spo- rogenes PA-3769, D m = 1,5 min) que se ha to­ mado habitualm ente como modelo, siempre que el producto procesado esté destinado a su com erriatizaotm e* países de clima templado donde las temperaturas estantes no suelen su­ perar los 30-32 "C. Si la comercialización del alimento esterilizado va a ser en países, o zonas geográficas, de climas cálidos (tem peraturas máximas superiores a 35-40 *C), es necesario considerar la posible presencia de bacterias es- poruladas tennófilas, cuya termorresistencia es notablemente superior a la de CL sporogenes, CL botulinum y otras bacterias mesófilas. Es el caso de Bacillus stearothermophilus y Thermo- anaerobaeterium (Ciostridium) thermosaccha- rolyticum (D m = 4-5 min) que no se multipli­ can por debajo de los 33-36 °C. En estas cir­ cunstancias, se aplican valores F0 de 14-20 min, que ocasionan reducciones de 4-5D de las es­ poras de dichos microorganismos que se toman como modelo. En alim entos ácidos (pH 4,0-4,5), como concentrados de tomate, pimientos, alimentos con salsa de tom ate u otras, no existe riesgo sa­ nitario alguno respecto a la producción de toxi­ na botulfnica. Por otro lado, tas bacterias espo­ ruladas que pueden multiplicarse a estos valo­ res del pH son más termolábiles que las anteriores, por lo que los tratamientos térmicos que se utilizan son más suaves y se ajustan ge­ neralmente para reducir a un nivel aceptable el desarrollo de Bacillus coagulans (D ,2¡ aprox. 0,07), lo que permite, al tiempo, evitar la alte­ ración por otras bacterias esporuladas mesófi­ las (por ejemplo, Bacillus macerans o Clostri- dium butyricum) que son más termolábiles que la anterior. Es suficiente, en estas circunstan­ cias, un valor F0 de 0,7 min. Los alim entos muy ácidos, de pH < 4,0, (frutas en general, alimentos escabechados, etc.) no pueden sufrir otras alteraciones que las derivadas del crecimiento de mohos y levadu­ ras, dado que ninguna bacteria esporulada, ni la gran mayoría de las vegetativas, pueden mul­ tiplicarse a estos valores del pH. Este tipo de alimentos no necesita tratam ientos térmicos superiores a los 100 ®C y pueden, por lo tanto, fabricarse sin la necesidad de presión. Para ta­ les productos no es conveniente utilizar la tem­ peratura de 121 aC como referencia, por lo que los valores D de los microorganismos y los F se ofrecea a temperaturas mucho más bajas (65­ 85 *C). Se suelea aplicar tratamientos de Fa de 1-2 min. No obstante, si se sospecha la presen­ cia de Byssochlamys fulva debe aumentarse la intensidad del tratamiento para evitar la altera­ ción por « t e moho, cuyas ascosporas son muy termoiresistentes; se ha señalado incluso que para la destrucción de este moho se requiere un valor Fn ^. de 2 min. Los valores F0 ofrecidos anteriormente sir­ ven como referencia para conocer los trata­ mientos térmicos necesarios para conseguir la esterilización comercial en los distintos alúnen- tos. Sin embargo, no siempre se utiliza en la práctica la temperatura de 121 *C. Para conse­ guir dicho grado de esterilidad, oscilan entre 115 y ISO *C; las más bajas se emplean para la fabricación de alimentos apertizados (conser­ vas) y las más altas para alimentos líquidos o semilfquidos en flujo continuo seguidos de en­ vasado aséptico. La transformación del F0 en el valor F a otra tem peratura se logra haciendo uso del valor z, aplicando la ecuación (8.8) don­ de el valor D se sustituye por el F. El valor ; de las bacterias esporuladas suele situarse entre 7 y 12 *C. La mayoría de los autores opinan que, de forma generíd, puede utilizarse un z * 10 *C. 8.7. Tipos da tratamientos térmicos Los tipos de tratamientos térmicos que ac­ tualmente se aplican a ios alimentos correspon­ den a tres modalidades: esterilización, pasteri­ zación y teraúzación. 8.7.1. Esterilización Con la esterilización se pretende destruir los microorganismos más termorresistentes pa­ ra conseguir la esterilidad comercial. El objeti­ vo de este tipo de tratamiento está constituido, pues, por las bacterias espo ruladas. La esterili­ zación se preocupa mucho menos de las enzi­ mas autocíticas, ya que éstas son mucho más termolábiles que las esporas microbianas. No obstante, en los alimentos pueden existir cier­ tas enzimas de origen microbiano, las produci­ das por bacterias psicrotrofas, que son más ter­ morresistentes que las esporas y no se desacti­ van totalmente ni siquiera durante los procesos UKT aplicados a los alimentos, específicamen­ te a la leche y ciertos productos lácteos. Es un aspecto que se tratará extensamente en el capí­ tulo dedicado al procesado de la leche (volu­ men II, capítulo 3). La esterilización puede realizarse de dos formas: en envases previamente llenos o calen­ tando el alimento sin envasar (UHT) y enva­ sarlo después asépticamente. A ) Esterilización de alimentos envasados Los envases que se utilizan para la esterili­ zación de alimentos mediante esta modalidad son latas, botellas de vidrio o bolsas de plástico termoestable. Cualquiera que sea el tipo de en­ vase utilizado, el tratamiento térmico va prece­ dido del llenado, la evacuación y et cierre. Los envases se suministran comercialmente lim­ pios, aunque esto no garantiza que puedan ser utilizados de inmediato. Por ello, es necesario asegurar su limpieza antes de llenarlos. Los en ­ vases metálicos y de vidrio se lavan con duchas de agua caliente o con cepillos rotatorios; luego se transportan invertidos hasta la seccióji de llenado para evitar la llegada de microorganis­ mos a su interior. Las máquinas llenadoras varían según el producto sea un liquido, una pasta o un sólido. En cualquier caso, deben asegurar un llenado preciso y deben ser versátiles para poder utili­ zar envases de diferentes tamaños y perm itir que puedan mantenerse en condiciones higié­ nicas adecuadas. Cuando un envase cerrado se calienta, su contenido se expande, aumenta la presión de vapor de agua y los gases disueltos escapan del producto. Se produce una presión interna que, en parte, se equilibra con la resistencia del en­ vase, aunque si es excesiva puede provocar la rotura del envase o la aparición de fugas. Para evitar esto, se deja una porción del envase va­ cía sobre el alimento; es el espacio de cabeza. Este espacio no sólo sirve para la expansión de líquidos y gases sino que también facilita la transmisión de calor durante la agitación del producto en el autoclave. La presión de vapor en el espacio de cabeza viene determinada por la tem peratura que alcanza el producto pero puede reducirse mediante la evacuación del en ­ vase que, además, ocasiona una disminución de la tensión de oxígeno, con lo que se evita la in- ZopihAo 8: Conservación por el color 147 teracdón de este gas coa los envases metálicos y las posibles oxidaciones de componentes de los alimentos, como lípidos insaturados y cier­ tas vitaminas. Existen diversos métodos para llevar a cabo la evacuación del envase: 1. Evacuación mecánica', consiste en cerrar el envase, una vez lleno, en frío bajo el vado producido mecánicamente. 2. Llenado en caliente a temperaturas próxi­ mas al punto de ebullición-, se genera asf una presión de vapor cercana a 100 IcPa en el espacio de cabeza de forma que si se procede rápidamente al cierre del en­ vase, se produce un vacío adecuado al enfriarse. Este método extrae eficazmen­ te los gases atrapados en el alimento proporcionando, además, un precalenta- miento muy útil para acortar el tiempo de procesado. 3. Evacuación en caliente, consiste en trans­ portar los envases abiertos a través de una baño de agua o cámara de vapor don­ de se calienta el producto hasta unos 80- 90 *C. Los envases evacuados se cierran después, al salir de tas cámaras calientes. En este método, el tiempo de evacuación puede ser excesivamente largo en el caso de alimentos que se calientan por con­ ducción. 4. Cierre por corriente de vapor, se hace pasar un chorro de vapor por la parte superior del envase ya lleno. Después, se coloca automáticamente la tapa, tam­ bién calentada con vapor, y el envase se cierra. Como no se eliminan los gases atrapados en el producto, el cierre debe ir precedido de un calentamiento del pro­ ducto. El cierre de los envases metálicos suele ha­ cerse con doble costura, la primera se logra po­ niendo el envase en contacto con un rodillo mediante el que se encaja la lata y la tapadera, sobresaliendo un reborde de ésta que se ajusta con otro rodillo distinto. Los envases de vidrio se cierran con upas de rosca, corona, cuarto de vuelu, presión, etc. El método más frecuente para el calenta­ miento de alimentos en envases cerrados es mediante la aplicación de vapor de agua satu­ rado. Como las tem peraturas que se utilizan para la esterilización de los alimentos poco ácidos y ácidos son superiores a 100 °C (110- 125 ’C), es necesario emplear sistemas a sobre- presión haciendo uso de autoclaves. La aplica­ ción del calor debe hacerse lentam ente para evitar cambios térmicos bruscos en el alimento y deformaciones o roturas de los envases. Cuando la temperatura del alimento se acerca a la del autoclave, la presión interna del envase se equilibra parcialmente con la presión del va­ por que rodea a los envases. No obstante, en la fase de calentamiento, el alimento está a una presión inferior que la del autoclave, por lo que los envases están siendo comprimidos, mientras que durante el enfriamiento ocurre lo contrario. Por ello, es necesario reducir al mí­ nimo estas diferencias de presiones, lo que se consigue regulando la velocidad del calenta­ miento y enfriamiento y, también, aplicando ai­ re a presión que equilibra la presión interna del envase durante el enfriamiento. Para que el calentamiento del alimento sea homogéneo, los autoclaves pueden estar provistos de sistemas de agitación (giro, volteo o vaivén) que faci­ litan el movimiento del liquido de cobertura creándose corrientes de convección. Los esterilizadores discontinuos son autocla­ ves verticales (carga por la parte superior) u horizontales (carga frontal) que se cargan y descargan cada vez que se procesa un lote; pueden albergar un número diferente de enva­ ses dependiendo del tamaño del autoclave. El consumo de agua es elevado en comparación con el de los autoclaves continuos (hidrostá- ticos). En la figura 8.4 se muestra el esquema de un autoclave discontinuo vertical. Cuando se ha completado la carga, se cierra la tapa del autoclave, que se ajusta después con cierres de FtGURA 8.4. Esquema de un autoclave discontinuo vertical. rosca; a continuación, se pone en funciona­ miento, si dispone, el .sistema de agitación y se comienza a inyectar vapor que va calentando'el producto al tiempo que se eliminan las bolsas de aire que pueden existir en el interior. Cuan­ do se considera que ya no existen dichas bol­ sas, se cierra la válvula de escape y comienza el calentamiento por encima de los 100 °C, con el consiguiente aumento de la presión hasta el va­ lor program ado (por ejemplo, hasta 75 kPa, equivalente a 116,4 °C) al que se abre la válvu­ la de control al exceder la presión establecida. A estos valores permanece durante el tiempo que dura el tratamiento y, una vez concluido, comienza el enfriamiento pudiendo ir bajando la presión lentamente con la ayuda de la inyec­ ción de' aire comprimido. Una vez se ha resti­ tuido la presión atmosférica y se ha enfriado suficientemente, se abre el autoclave y se des­ carga. E ntre los esterilizadores continuos, el más común quizás sea el hidrostático (figura 8.5). Consta, en esencia, de una zona central comu­ nicada con dos ramales laterales. Cuando el sis­ tema está parado, las columnas de agua de los ramales laterales están equilibradas, a la misma altura que la contenida en la zona central; se pone en marcha inyectando vapor de agua en la zona central que va empujando hacia abajo el agua contenida en dicha zona con el consi­ guiente desplazamiento hacia arriba del agua de los ramales laterales. En la zona central va aumentando la presión y la tem peratura hasta los valores programados y, al tiem po, se crea un gradiente de temperatura en el agua de los ramales. Mediante una polea sin fin con sopor­ tes adecuados para colocar los envases Uenos y cerrados se traasporta el producto desde el lu­ gar de carga, se va calentando progresivamente por el ramal de la izquierda hasta en trar en la zona central donde se esteriliza; el tiempo que tarde en recorrer la zona de vapor es el tiempo del procesado. Después, los envases pasan al ramal de la derecha donde su tem peratura va descendiendo progresivam ente sufriendo un enfriamiento adicional mediante duchas y paso posterior por un bado de agua, llegando al final del circuito donde se descarga. Sección d» prsca lentamente Inyección da vapen U S *130' Descarga de envases Sección de enfriamiento FIGURA 8.5. Esterilizador hidrostótico. B) Esterilización de alimentos sin envasar Este método se utiliza para alimentos líqui­ dos y semilíquidos (leche, sopas, nata, purés, e tc ) . Consiste en un calentamiento muy rápido (casi instantáneo) h asu tem peraturas muv al­ tas (135-150 *C) a las que se mantiene durante un tiempo muy cono (2-5 segundos). Se deno­ minan procesos U HT (ultra high temperature) y existen dos modalidades: 1. Procesos indirectos en los que el calenta­ miento se realiza mediante cambiadores de calor (tubulares o de placa); no existe, por lo tanto, contacto entre el fluido ca­ lefactor (vapor de agua) y el alimento. 2. Procesos directos, que consisten en la in­ yección de vapor de agua en el alimento (método de inyección) o en la inyección del alimento en vapor de agua (método de difusión). En este tipo de procesos hay contacto íntimo entre el agente cale­ factor y el alimento, siendo el calenta­ miento prácticam ente instantáneo, pa­ sando desde unos 85 °C a 140 *C en déci­ mas de segundo. En este método siempre se condensa una porción del vapor provocando una dilución del producto, de alrededor del 10%, que después hay que corregir me­ diante la aplicación de vado. En la figura 8.6 se muestra un diagrama sim­ plificado de un proceso U HT indirecto. El pro­ ducto procedente del tanque de almacenamien­ to (1) es impulsado por una bomba (2) basta la sección de regeneradón (3) donde comienza a calentarse mediante un cambiador de calor con la energía que aún mantiene el producto proce­ sado. El calentamiento hasta unos 80-85 “C se completa con el cambiador (4) de baja presión y en el cambiador-regenerador (5), pasando luego a un cambiador (6) donde se produce la esterilización del producto. Un sistema de su­ ministro de vapor que opera neumáticamente a 300-400 kPa mantiene la temperatura (135-150 °C) durante un corto tiempo (2-4 segundos). Si la temperatura cae por debajo del valor progra­ mado, la válvula de desviación de flujo (T) con­ duce el producto al tanque de almacenamiento (1) previo enfriamiento en el cambiador (8). Si la temperatura del tratamiento ha sido correcta, el producto pasa por los cambiadores-regenera­ dores (5) y (3) y posteriormente se lleva a la temperatura (10-15 *C) del envasado aséptico mediante el cambiador (7). La planta, una vez utilizada, se esteriliza automáticamente con va­ por (o agua presurizada a 145-155 ®C). La figura 8.7 muestra un diagrama de flujo simplificado de un proceso U H T directo. El producto es impulsado desde el tanque de al­ macenamiento (1) por la bomba (2) al cambia­ dor-regenerador (3) donde comienza el calen­ tamiento y luego se lleva hasta unos 80 °C en el cambiador (4). De aquí, se bombea al inyector de vapor (5) a una presión de 800-1.000 kPa. El vapor transfiere su calor latente al producto al­ canzando de inmediato la temperatura de este­ rilización (140-150 °C) a la que permanece du­ rante un tiempo muy corto (2-4 segundos) en el tubo de mantenimiento. La tem peratura se controla con el termómetro T-l donde una vál­ vula de desviación de flujo conduce el produc­ to al cambiador (9) si es inferior a la estableci­ da. Si es correcta, el producto se enfría hasta unos 75 *C por expansión en la cámara de va­ fiGURA 8.6. Diagramo de flujo del proceso UHT indirecto. Zopítvb 8: Conservación por el calor 151 FIGURA 8.7. Diagrama d« flujo de un proctio UHT directo. cío (6) donde se elimina también el vapor de agua que se ha condensado. El vapor de esta cámara se utiliza para el cambiador-regenera­ dor (3), controlándose su temperatura en el re­ gistro (T-2). El producto, una vez abandona la sección (6), es impulsado con la bomba (7) has­ ta un cambiador estéril (8), donde se enfria hasta la temperatura del envasado aséptico. El curso térmico de ambos tratamientos se representa en la figura 8.8; puede considerarse que el calentamiento desde los 80 *C hasta la temperatura de tratamiento es, en el caso del U H T directo, instantáneo mientras que la transferencia de calor a través de los cambiado­ res (UHT indirecto), aunque rápida, no llega a la del UHT directo. Las ventajas e inconvenien­ tes de uno y otro tratamiento en relación con la calidad sensorial, la retención de nutrientes y el progreso de ciertas reacciones se describirá de­ talladamente para la leche UHT en el capitulo correspondiente (volumen II, capítulo 3). La esterilización de alimentos mediante los procesos UHT requiere, obviamente, un enva­ sado aséptico. Se han registrado diversos méto­ dos (tetrapack, lupack, purePack, selfpack, en botellas, etc.) pero el más difundido en Europa es el tecrabrick (figura 8.9). U n rollo (1) de cartón laminado (polietileno/cartón/polietile- no/alumlnio/polietileno) se esteriliza a 80 °C en un baño de peróxido de hidrógeno al 17% (2) durante 8-10 segundos, eliminándose los restos del peróxido de hidrógeno con una corriente de aire estéril por filtración. Después, el rollo entra en una cámara aséptica, esterilizada con aire caliente y filtrado. A esta cámara llega la tubería (4) procedente del esterilizador UHT y en ella se conforma el envase, se dispensa el volumen adecuado de alimento, se termosella y luego se corta con guillotinas transversales (S). 8.7.2. Pasterización La pasterización pretende destruir los mi­ croorganismos patógenos no esporulados y re­ ducir significativamente la microbiota banal Tiempo (segundos) Tiempo (segundos) FIGURA 8.8. Curso férmico do los procesos UHT directo [superior) e indirecto (inferior). para ofrecer al consumidor un producto seguro con una vida útil aceptable para que sea consu­ mido en un corto plazo. A veces, puede conse­ guirse la estabilidad microbiológica, como es el caso del vinagre, en que se pretende destruir la microbiota m is term onesistente (mohos y le­ vaduras) que puede desarrollarse al pH tan ba­ jo del producto. Existen dos modalidades de pasterización: a) LTH (low temperatura holding) o paste­ rización baja; es un sistema discontinuo adecuado cuando se pretende pasterizar volúmenes pequeAos (por ejemplo, 100- 500 litros). Se utilizan tiempos largos (aproxim adam ente 30 minutos) y tem ­ peraturas bajas (62-68 *C) y se lleva a ca­ bo en tanques de doble pared provistos de un agitador y termómetro. Por la do­ ble pared circula el fluido calefactor y el refrigerante. b) HTST [high temperature, short time) o pasterización alta; este método se realiza en sistemas de flujo continuo con cam ­ biadores de calor (tubulares o de placas). Se utilizan temperaturas elevadas (72-85 *C) y tiempos cortos (15-20 segundos). E n la figura 8.10 se muestra un esquema simplificado de este método que funcio­ na, como puede observarse, de forma si­ milar a los procesos U H T indirectos. El producto se precalienta en el cambiador- regenerador (1) y pasa después al cam­ biador (2) donde se pasteriza y, una vez ya procesado, pasa de nuevo por el cam ­ biador (1) y llega al cambiador (3) donde se refrigera para ser después envasado. U na válvula de desviación de flujo (no representada en la figura) conduce el producto al tanque de almacenamiento si no ha alcanzado la tem peratura pro­ gramada. Fig ura 8.9. Esqueme del sistema de envasado asép­ tico y estructura típica de un envase laminado. FIGURA 8.10. Diogram o da flujo de un pasterizador. Como siempre sobrevivirán al tratamiento un número determinado de microorganismos, no es necesario un envasado aséptico que enca­ recería innecesariamente el producto final; bas­ ta con que sea higiénico. Los envases utilizados pueden ser botellas de vidrio o plástico, bolsas de plástico, cartones, etc. 8.7.3. Tamización Es un proceso en flujo continuo, similar a la pasterización HTST pero difiere en el binomio tiempo-temperatura; es un tratamiento menos intenso (10-15 segundos; 60-65 *C). A ctual­ mente, se aplica a la leche cruda (volumen II, capítulo 3) con ei objetivo de mantener baja la tasa de bacterias psicrotrofas, muy termolábi- les. No equivale a la pasterización de la leche, ya que este tratam iento no es suficiente para 1. La destrucción de los microorganismos por el color sigue un curso logarítmico, lo que indica que, a una temperatura dada, en tiempos igua­ les se destruyen porcentajes idénticos de micro­ organismos. 2. La tsrmodesrruccián microbiano viene definida por los parámetros D (tiempo de reducción deci­ mal) y Z (grados centígrados que es necesario aumentar o disminuir la temperatura para que el valor D, respectivamente, disminuya o aumente 10 veces). 3. El concepto 120 implica que en la esterilización de olimenlos de pH superior a 4,5 es necesorio suponer la presencia de una espora de Clostri- dium botulinum por envase y que Iras el frota­ miento térmico sólo puede permanecer viable una espora por I0 IZ envoses. 4. El valor F es el tiempo que se requiere, a una temperatura definida, para reducir la pobloción destruir todos los microorganismos patógenos ao esporulados. B ib lio g ra fía FRAZIER, W. C y WESTHOFF, D. C. (1993): Mi­ crobiología 9 UTILIZACIÓN DE RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. IRRADIACIÓN DE ALIMENTOS Este capítulo se ocupa de las aplicaciones de las radiaciones electro­ magnéticas no ionizantes (calentamiento por infrarrojo, por microondas, dieléctrico, óhmico y por inducción) en la industria alimentaria. Ademis de las particularidades de este tipo de radiaciones, se analiza su efecto en los alimentos y las características de los equipos requeridos en cada apli­ cación. Por otra parte, se tratan los distintos aspectos de la irradiación de alimentos como una forma de prolongar la vida útil de los mismos en la que se recurre al empleo de ondas electromagnéticas ionizantes de fre­ cuencia limitada y de haces de electrones de baja energía. 9.1. Radiaciones electromagnéticas en la Industria Alimentaria La Industria Alimentaria recurre con muy distintos fines al empleo de radiaciones electro­ magnéticas. Todas ellas se transmiten en forma de onda, sin necesidad de un soporte material y a una velocidad de 3 x 10* ms*'. Sin embargo, dependiendo de la energía asociada, de la lon­ gitud de onda y de la frecuencia de emisión el efecto derivado de su interacción con un deter­ minado material es muy distinto. En Tecnolo­ gía de los Alimentos se impone la diferen­ ciación entre tratamientos con radiaciones no ionizantes y aquellos con radiaciones ionizan­ tes. En el primer caso, se recurre al empleo de distintas formas de energía electromagnética. El espectro utilizado incluye la radiación infra­ rroja y microonda, así como la energía eléctri­ ca. Estas radiaciones, con distinto poder de*pe- netración, se utilizan para generar calor por di­ ferentes mecanismos y son la base de varios sistemas de calentamiento ( infrarrojo, micro­ ondas, dieléctrico y óhmico). Los tratam ientos con radiaciones ionizan­ tes tienen un carácter c laram ente distinto, puesto que en este caso se pretende prolon­ gar la vida útil de los alimentos sin que tenga lugar un increm ento apreciable de su tem ­ peratura . En ellos, como su propio nombre indica, se recurre al em pleo de radiaciones electrom agnéticas con energía suficiente co­ mo para ionizar los átom os y/o moléculas con las que in teraccionan. E n la irradiación de alimentos se utilizan las ondas electrom agné­ ticas de frecuencia limitada de esta naturale­ za y los haces de electrones de baja energía (S lO M eV ). La diversidad en la utilización de las radia­ ciones electromagnéticas deriva, por lo tanto, de la dispersión de sus efectos. La figura 9.1 re­ coge las características (longitud de onda, fre­ cuencia y energía asociada) y las principales aplicaciones en la Industria Alimentaria del es­ pectro electromagnético. 9.2. Radiaciones electromagnéticas no ionizantes El calentam iento por infrarrojos es una transmisión de calor por radiación en la cual, y como consecuencia de su temperatura, la m ate­ ria emite radiaciones cuya longitud de onda e intensidad dependen de la naturaleza del cuer­ po radiante. La calefacción por microondas, al igual que la dieléctrica y la óhmica, no requiere de la existencia de un gradiente térmico o de superficies calientes; se trata de una forma de generar calor derivada de la distorsión creada en los componentes de los alimentos por la incidencia de un campo eléctrico alterno. 9.2.1. Radiación infrarroja La radiación infrarroja (figura 9.1) produce una cierta vibración en los enlaces intra- e in­ termoleculares de los componentes de los ali­ mentos que se traduce en un incremento de la tem peratura. La capacidad de penetración de esta radiación es escasa, por lo tanto, su efecto se limita a la superficie mientras que el resto del alimento se calienta por conducción o por convección. Dentro del espectro infrarrojo se distinguen el infrarrojo cercano (NTR, Near-infrared) con longitudes de onda comprendidas entre 0,78 y 1,4 pm, el infrarrojo medio (MIR, m id-lR) in­ cluido en el intervalo 1,4-3 pm y el infrarrojo lejano (FIR, far-ir.frared) entre 3 y 1.000 pul. A ) Fundamentos y equipos Todos los cuerpos emiten calor por radia­ ción. aunque en esta forma de transmisión de calor se distingue un cuerpo emisor, que libera energía radiante en m ayor proporción, y un cuerpo que la absorbe en mayor cantidad o re­ ceptor. El calentamiento por infrarrojo es una transmisión de calor por radiación, donde los CopihAo 9: Utilización da radiocionas electromagnéticas 157 i .ó” . Id’0. ,0* td* 10 _ 10 __ io* - ! to "* 1 10 1_ 10* — I03_ 4 10 — ,o*_j «o6 7 '0 — 10 ---- 10 10 — I «Cdentarntonlo O » leo f il»f»rrlrtn rfatártrtr» * CtMacdón por mfooondu (oodnido. tacado, dosranQehrtrtn) •Cocinado • CdodMNdmtaddn •MRbicUndekgannlnacMn •EM nadón de Intacto* y • BMnacMn d i mlaooiganitraat tftwtntet y peldgenot • Sdartbaddn «t Mo ! Mi FiGURA 9.1. Particularidades y aplicación de las radiaciones electromagnéticos en la Industria Alimentaria. cuerpos em iten energía en una cantidad que depende de su propia tem peratura. Se deno­ mina cuerpo negro o radiador perfecto a aquel que em ite la máxima cantidad de radiación a una tem peratura dada. Las superficies reales, los calentadores radiantes así como tos alimen­ tos no son radiadores perfectos. Éstos emiten una fracción constante de la radiación de un cuerpo negro. A estos cuerpos se les denomina cuerpos grises y se habla de emisM dad (e) pa­ ra referirse a su capacidad para emitir energía radiante, ajustándose a la Ley de Stefan-Boltz- mana, cuya expresión matemática es la si­ guiente: Q - z A < s T (9.1) donde Q (J r ' ) representa la velocidad de emi­ sión calórica. T es la temperatura absoluta (K y grados Rankine (R) en el sistema británico], a es la constante de Stefan-Boltzmann (5,7 x 10-* Jr 'm ^K *4), A es el área superficial y t es la emisividad específica del cuerpo, cuyo valor numérico varia entre 0 y 1. Por tanto, la canti­ dad de energía radiante transferida entre dos superficies depende de sus temperaturas, de su distribución geométrica y de sus emisividad es. De forma similar, un cuerpo gris absorbe sólo una fracción de la energía absorbida por un cuerpo negro, cantidad que corresponde a su absorávidad o coeficiente de absorción (a). En estos cuerpos a es numéricamente igual a e. La rtfiecñvidaá representa la fracción de radia­ ción incidente que no es absorbida, por lo tan­ to será igual a (1 - a). Los cuerpos negros ab­ o r te n toda la energía que incide sobre ellos sin reflejar nada. Las emisividades varían con la temperatura. Algunas sustancias como metales, óxidos metá­ licos y ciertos gases y vapores compuestos por moléculas polares (vapor de agua, dióxido de carbono) son emisores selectivos, muestran una distribución irregular de intensidad radian­ te y sus emisividades varían a lo largo del es­ pectro infrarrojo. Dado que la emisividad de una sustancia es igual a su absortividad, cual­ quier sustancia que refleja mucha radiación emitirá muy poca. Por tanto, si una sustancia es perfectamente transparente y no absorbe ni re­ fleja radiación, no la irradia (e ~ 0). Esta con­ ducta se presenta en ciertos gases como el hi­ drógeno, oxígeno y nitrógeno. Las superficies negras mates tienen una conducta similar a un cuerpo negro y en la ma­ yoría de los casos puede asumirse que su emisi­ vidad es igual a 1. La emisividad a temperatu­ ras bajas o moderadas de las superficies blan­ cas (papel, m etales pintados o madera) y de algunos alimentos oscila alrededor de 0.9; en las superficies metálicas sin pulir varían entre 0,7 y 0,25, miectras que en las metálicas pulidas es igual o inferior a 0,05 (cuadro 9.1). CuaO IO 9 .1. Em itñídod aproxim ado da dttrintai m atvnaW i Motarid EmrtMdod Pon quamodo 1.00 M a c do panojarlo 0.85 Aguo 0.95 Hiato 0.97 Coma da vocuno 0.7 i Sabo 0,78 Papal blcneo 0,90 fiVMiarn y awtaJ pintado 0.90 Matat sin putr 0 7 0 0 .2 5 Metal pulido en U que I e s la cantidad de radiación transmi­ tida a la profundidad r , lo es la intensidad de radiación incidente y a es el coeficiente de ab­ sorción. Los equipos industriales emplean ra­ diadores en los que la absorción varía desde cero (o -+ 0) a cierta longitud de onda, hasta la absorción completa ( a -» 1 ) a otras longitudes de onda. Para obtener la máxima absorción se requiere producir un espectro estrecho e inten­ so del mismo nivel que las bandas de absorción del material que se quiere calentar. En el ca­ lentam iento de alimentos sólo tienen impor­ tancia práctica longitudes de onda de basta unos 50 pm. Tanto el agua como ios sistemas acuosos absorben mejor a longitudes de onda próximas a 1 pm. Aunque la transmisión de calor por radia­ ción puede ser significativa cuando las diferen­ cias de temperatura son pequeñas, como ocurre en los almacenes frigoríficos, en general sólo es importante cuando la diferencia de temperatu­ ra es elevada. De esta forma, este tipo de trans­ misión de calor predomina en los hornos de panadería y en los desecadores radiantes. El calentamiento infrarrojo de los alimentos se re­ aliza mediante bancadas de calentadores ra­ diantes que pueden ser alimentados con com­ bustibles sólidos, petróleo, gas o electricidad. Los calentadores radiantes alimentados eléctri­ camente pueden ser de dos tipos, los de tem­ peratura media y los de tem peratura elevada. Los primeros están formados por filamentos si­ tuados en tubos de sílice o metal que alcanzan tem peraturas comprendidas entre los 500 y 1.000 aC y generan alrededor de 15 k W n r: . Los radiadores de alta tem peratura consisten en lámparas con filamentos de tungsteno o fila­ mentos protegidos por tubos de cuarzo que operan a unos 2.500 *C con una potencia de 10 a 65 kWm~z. En estas condiciones, la mayor pane de la energía es irradiada en el infrarrojo con un intervalo de longitud de onda de 0,75 a 350 pm. En el cuadro 9.2 se recogen las carac­ terísticas de la radiación infrarroja emitida por distintas fuentes. Estos dispositivos son la base de la mayoría de los hornos utilizados para diversos fines en la-Industria Alimentaria¿ya sean de funciona­ miento discontinuo o continuo (hornos rotato­ rios, de raíl, túnel o bandejas en ciclo múltiple). El calentamiento de los alimentos puede ser in­ directo o directo. En el primero se utilizan ga­ ses de combustión calientes o energía eléctrica para calentar las paredes de hornos disconti- CUAMO 9.2. Corocteriuicoi de lo rodiodón infrarrojo «nítida por diVintai Lentes. Intensidod Temperatura máximo Tipo do Irobajo do fuente t*C1 (IW m-4) Temperatura máxima durante el • rq Calar Calor Tiempo de transmitido transmitido calentamiento por radioctán por corrección enfriamiento W W W Onda coru lómporo de cotefoccián 2 200 10 300 75 2J I fistola de Ht 2.300 2 I .Ó00 98 2 I Tubo de cworzo 2.200 80 600 80 20 I Onda medio Tubo de cuarzo 930 60 300 35 45 30 Onda largo Sementó* 800 40 300 50 30 < 1 2 0 Cerámico* 7 0 0 40 400 30 30 < 1 2 0 tr 'etiUencie eléctrica; b residencia s lto ico reaAmrtg de cerámica. t e e m W o n f l 99q . nuos o para calentar radiadores colocados en­ cima o debajo de la cinta de cocción de hornos continuos. El calentamiento directo convencio­ nal se lleva a cabo colocando mecheros de gas sucesivos encima y debajo de la zona de proce­ sado. E n ambos casos, se presenta una combi­ nación de transmisión de calor por convección (del aire circulante), radiación (desde los dis­ positivos radiantes y paredes) y por conduc­ ción (a través de la bandeja donde se ubican los alimentos). B) Efecto en los alimentos y aplicación en la Industria Alimentaria La radiación infrarroja, como otras formas de transmisión de calor, puede utilizarse para extender la vida útil de los alimentos, destru­ yendo enzimas y microorganismos y reducien­ do, en cierto grado, la actividad de agua de los mismos. Sin embargo, esta forma de calenta­ miento permite, además, modificar las caracte­ rísticas organolépticas de los alimentos, con posibilidad de m ejorar su palatabilidad y de crear distintos sabores, aromas y texturas. La absorción en infrarrojo se caracteriza por su poca penetración, por lo que produce un calentamiento rápido de la superficie de los ali­ mentos. La transmisión de calor hacia el centro del alimento se produce por conducción sien­ do. por lo tanto, un proceso lento. Estas condi­ ciones conducen a la evaporación del agua de la capa extem a y, en consecuencia, el descenso de la hum edad relativa en ellas crea un gra­ diente de presión de vapor que favorece el pa­ so del agua desde el interior del alimento hasta su superficie. La velocidad de evaporación de­ pende de.las características del alimento trata­ do y de la velocidad de calentamiento. Si el proceso se realiza a presión atmosférica y la su­ perficie se mantiene saturada de humedad, la tem peratura apenas supera los 100 *C. Cuando la velocidad a la que el agua se elimina de la superficie supera a la de emigración de ésta desde el interior del alimento, el frente de eva­ poración profundiza, ¡a superficie >e deseca y se sobrecalienta de forma que la tem peratura acaba igualándose con la del aire que le rodea. En la superficie aparece una corteza por coa­ gulación, degradación y pirólisis parcial de las proteínas y en el caso de los cereales y deriva­ dos, por gelatinización, deshidratación y cam­ bios en la textura granular del almidón. La ob­ turación rápida de la estructura externa confie­ re, a esta zona, un carácter impermeable que permite retener el agua y las sustancias voláti­ les haciendo que los alimentos resulten más ju ­ gosos y aromáticos. En algunos casos, es nece­ sario retrasar la deshidratación de ¿a capa su­ perficial, lo que puede lograrse combinando el calentamiento en la fase inicial con la inyección de vapor de agua. Este procedimiento se utiliza en los hornos de panadería, para conseguir que la corteza permanezca elástica durante más tiempo y que la masa se esponje adecuadamen­ te. Durante el almacenamiento,'*se produce una migración del agua en el alimento que puede provocar el reblandecim iento de la corteza, con la consiguiente pérdida de sus caracterís­ ticas organolépticas. Por otra parte, el sobrecalentamiento de las capas externas favorece el desarrollo de la reacción de Maillard y la caramelización de los azúcares y dextrinas con la consiguiente apari­ ción de un color marrón dorado, más o menos intenso, característico de los productos hornea­ dos. La elevada temperatura y el bajo conteni­ do en agua de las capas superficiales origina también la oxidación de los ácidos grasos a al­ dehidos, lactonas, cetonas, alcoholes y ésteres. Estas sustancias, junto con los compuestos de­ rivados de la reacción de Maillard y la degrada­ ción de Strecker. contribuyen al desarrollo del arom a característico de los alimentos asados, dependiente de la composición química y del tiempo y temperatura de calentamiento. Desde un punto de vista nutritivo, los ma­ yores cambios se producen, de igual forma, en la superficie del alimento. Por tanto, la relación volumen/superficie juega un im portante papel a la hora de valorar las pérdidas que puedan producirse. El electo se manifiesta en especial en el contenido de algunos aminoácidos (sobre todo lisina) y ciertas vitaminas (tiamina, vita­ mina C); la reducción en su contenido depende de las condiciones de procesado y de la natura­ leza del alimento tratado. La energía infrarroja tiene numerosas apli­ caciones en la Industria Alimentaria. Así, se utiliza en los procesos de horneado o asado, tostado y cocción. En estos casos, es importan­ te controlar la temperatura del procesado para que las modificaciones de las características o r­ ganolépticas (cambio de color de su superficie, de aroma, textura y de bouquet) del alimento sean adecuadas. Por otra parte, se utiliza en la fusión de grasas y en la desecación de alimentos de bajo contenido en agua (como pastas, cacao, harinas y granos). Es frecuente su uso como sis­ tema de calentamiento en desecadores de ban­ da continua a vacío y en liofilizadores. Esta for­ ma de calentamiento se utiliza también en la In­ dustria A lim entaria en el mantenimiento de estufas y calderas, en la retracción de materia­ les plásticos de envasado y en procedimientos especiales de destilación. Dentro de tas aplica­ ciones hay que considerar, además, el secado al sol, donde la radiación infrarroja representa al­ rededor del 48% de la energía aportada. 9.2.2. Radiación microonda El em pleo de microondas en el procesado de los alimentos se debe a que generan calor. La idea de calentar los alimentos con microon­ das surgió hace más de cuarenta aáos y se pue­ de decir que deriva del desarrollo del radar du­ rante la Segunda GuerTa Mundial. La conexión entre el calor gcm rada por tas miara— da»y k posibilidad de emplearlo para calentar alimen­ tos se debe a Percy Spencer, quien patentó el primer horno microondas en 1949. Desde en­ tonces, el horno microondas ha sido una gran revolución a nivel doméstico. En Estados Uni­ dos es el segundo electrodoméstico en impor­ tancia, estando presente actualmente en un 90% de los hogares. En Espzfta, aunque está menos introducido, se vendieron en 1995 casi 760.000 unidades y es de prever que esta cifra aumente con el tiempo. La presencia del hom o microondas en los hogares es un nuevo incentivo para la industria de elaboración dé platos preparados y semipre- parados, la cual debe orientar pane de su pro­ ducción hacia este mercado en clara expansión. Aunque el calentamiento es un proceso fun­ damental en la Industria Alimentaria y las mi­ croondas ofrecen cieñas ventajas, hasta el mo­ mento su éxito en este campo no se puede comparar al alcanzado en el ámbito doméstico y en la restauración colectiva. Sin embargo, el empleo de microondas a gran escala está au­ mentando rápidamente gracias, entre otras ra­ zones, a las recientes mejoras en el diseño de sistemas microondas de gran potencia y a la re­ ducción del coste de los equipos. A ) Fundamento y equipos En el espectro electromagnético, las micro­ ondas se sitúan entre las ondas de radio y la ra­ diación infrarroja, se caracterizan por tener una frecuencia de emisión comprendida entre 300 MHz y 300 GHz, una longitud de onda en el intervalo 2210-1,4 cm y una energía asocia­ da de 12 x 10-» a 12 x 10-7 eV (figura 9.1). Para evitar interferencias coa las ondas em­ pleadas en las comunicaciones (radar, radio, TV) se han establecido frecuencias específicas, deno­ minadas bandas ISM, de uso industrial, científico y médico. De esta forma, el empleo de microon­ das está restringido a 915 MHz (896 MHz en al­ gunos países europeos) para la baja frecuencia y a 2 4 SC éiU z para la alta, lo que corresponde a una longitud de onda de 32,8 (33,5 en algunos países europeos) y de 122 cm, respectivamen­ te. Como toldas las ondas electromagnéticas, (as microondas tienen asociados, un campo eléctri­ co y un campo magnético, perpendiculares en­ tre sí. Además son ondas monocromáticas, pla­ nas y fuertemente polarizadas. Por sus caracte- ráticas (frecuencia y longitud de onda), las mi­ croondas son radiaciones no ionizantes con un poder-de penetración superior a la radiación infrarroja La energía de las microondas se convierte en calor al ser absorbida por la materia. La in­ teracción de esta radiación en un determinado material crea una distorsión debida al efecto del campo magnético y eléctrico asociado. Co­ mo ambos campos son intercoavertibles. la ab­ sorción de uno de ellos determinará que se de­ biliten los dos simultáneamente. Existen mu­ chos mecanismos por los que las microondas generan calor, dependiendo del material y las condiciones. El campo magnético puede inte- raccionar con los metales magnéticos, provo­ cando en ellos corrientes de electrones. En los alimentos este efecto es despreciable ya que és­ tos sólo contienen cantidades traza de minera­ les magnéticos (níquel, cobalto, hierro, etc.). Sin embargo, los alimentos presentan como componente mayoritario el agua (alrededor del 80%), una molécula dipolo con una distribu­ ción no homogénea de cargas eléctricas y una cierta cantidad de sales ionizadas con las que puede interacdonar el campo eléctrico. De es­ ta forma, es la absorción del campo eléctrico asociado a la radiación microonda la que origi­ na calor en los alimentos, mientras que la ab­ sorción del campo magnético es de utilidad tan sólo en los elementos de protección y algunos utensilios que se utilicen con los alimentos que presenten materiales magnéticos. En la generación de calor por microondas en los alimentos se distinguen, fundamen­ talmente, dos mecanismos: la conducción ióni­ ca y la rotación de dipolos (figura 9.2). En el primer caso, los iones presentes en los alimen­ tos se desplazarán según la dirección del cam­ po eléctrico alterno consiguiente a la interac­ ción de la radiación, microonda. D urante su desplazamiento, estos iones colisionarán con moléculas vecinas, transmitiéndoles energía ci­ nética, aumentando su movimiento y, en defini­ tiva, generando calor. De esta forma, la con­ ductividad eléctrica del material influye en la absorción de las microondas. Aunque en mu­ chos casos no se ha tenido en cuenta este me­ canismo en el calentamiento por microondas, adquiere bastante importancia en el caso de los alimentos con elevado contenido en saL Por otra parte, los dipolos tendrán que rotar (figura 9.2) para orientarse bajo la influencia de un campo eléctrico de elevada frecuencia (915 MHz en la baja frecuencia o 2.450 MHz en la alta). La rotación de los dipolos genera cho­ ques y fricción molecular que incrementan, al igual que en el caso anterior, la energía cinética y la temperatura. Éste es el principal mecanis­ mo de generación de calor en los alimentos con un contenido elevado o medio de agua, siendo las regiones de agua libre (regiones multicapa y capilar) las disponibles para la interacción con las microondas, dado que en la región monoca- pa la rotación de la molécula de agua está esté­ ticamente impedida. Otros componentes de los alimentos con los que pueden interacdonar las microondas por rotarión de dipolos son los al­ coholes y azúcares. La generación de calor en los alimentos con muy baja humedad depende de la interacdón de las microondas con los lípi- das y sólidos coloidales, aunque se desconocen los mecanismos implicados. Cuando una onda electromagnética inride en la superficie de un material, una parte de ella será reflejada, mientras que otra será transmitida al interior con un cambio de direc­ ción (refracción). A medida que la onda se transmite en el material puede ser progresiva­ mente absorbida de forma exponencial. Esta radiación absorbida será la que ceda su energía y origine el incremento de la temperatura. El grado de reflexión, penetración y absorción de­ pende, en buena parte, de las propiedades di­ eléctricas del material. Entre éstas las más im­ portantes son la constante dieléctrica (e ') y el factor de pérdida dieléctrica (e*). que son un re­ flejo de la capacidad de un material de almace­ nar y disipar la energía de las microondas. La suma vectorial de estas propiedades se denomi­ na permiúvidad o constante dieléctrica comple­ ja. La relación entre e“ y e' es la tangente de pérdida (tg ó = e"/e')\ es una meoida lie la capa­ cidad de un material de generar calor cuando recibe radiación microonda. La proporción de energía incidente que será reflejada por un determ inado m aterial viene dada por la siguiente expresión: í - V o / a + V F ) ] 1 (9.4) siendo Prtf la potencia reflejada (W ) y P ^ la potencia incidente (W). La longitud de onda de esta radiación en la materia se modifica según ia relación: K = W ( e 7 / ) = W ? (9-5) siendo la longitud de oada en e. material (m), c velocidad de propagación en el vacío (3 x 10® m s '1), / la frecuencia de emisión y X0 ia longitud de onda en el espacio libre (:n). Por tanto, la constante dieléctrica es un in­ dicativo de las propiedades de reflexión y de* la longitud de onda de las microondas en un material. Cuanto menor sea e ', m enor será la proporción de la eaergía de microondas refle­ jada y mayor la longitud de onda en el m ate­ rial. Por su parte, el factor de pérdida es una medida de la capacidad de disipar la energía m icroondas en forma de calor. La ecuación fundam ental para determ inar la potencia ab­ sorbida es: P, = 55,610->« f t r e (9.6) donde Pr es la potencia absorbida por unidad de volum en (W m*3), f e s la frecuencia de la microonda (Hz), É” es el factor de pérdida die­ léctrica y £ el valor del campo eléctrico dentro del alimento (V m"1). O tro parám etro a tener en cuenta cuando las microondas son absorbidas por un material es la profundidad de penetración de la potencia (dp), que se define como la distancia a la que la potencia inicial de las microondas'ha disminui­ do a un 37%. El valor dp será elevado en los materiales en los que se transmite la radiación sin ser absorbida y que, por lo tanto, no se ca­ lientan. De una forma muy simplificada, pero aplicable a la mayoría de los alimentos (con un erro r inferior al 5%), la profundidad de pe­ netración se puede calcular como: 4 , = ( ¿ o V ? ) / ( 2 * 0 (9.7) siendo A, la longitud de onda en el espacio li­ bre (m). Según sus propiedades dieléctricas y la for­ ma de interaccionar con la radiación microon­ da, pueden considerarse tres tipos básicos de materiales: a) Reflectantes o conductores que, como su propio nombre indica, reflejan las micro- ondas en su superficie y no las absorben. Pertenecen a este grupo los metales puros (conductores), que se emplean para diri­ gir y contener tas microondas (paredes de la cavidad donde se aplican las microon­ das, tubos guía-ondas). b) Transparentes, que transmiten las micro- ondas. Es decir, la radiación atraviesa el material sin que se absorba nada (o prác­ ticamente nada) de su energía. Tienen valores de e' y & muy bajos (cuadro 9.3). Se emplean como recipientes para conte­ ner los alimentos durante su procesado y como protectores de partes esenciales en el sistema de generación de las microon­ das, como barreras físicas frente al polvo y suciedad. Dentro de este grupo están el vidrio, la cerámica, el teflón, el polipro­ pileno y el papel. c) Absorbentes o dieléctricos o perdedores, que absorben la energía de las microondas, en mayor o menor medida. Tienen valores de ¿ y eT relativamente elevados (cuadro 93). este es el caso de los alimentos. Capitulo 9: Utilización da radiaciones electromagnéticas 165 ClIAMO 9.3. Tipo» los O *C, al aumentar la temperatura disminu­ yen e", tT y la tangente de pérdida. Es decir, aumentará la penetración y disminuirá la ab­ sorción. Esto es un factor estabilizante, puesto que implica un aumento más uniforme de la temperatura. Sin embargo, en alimentos con al­ to contenido en sal se aprecia el fenómeno con­ trario. La disminución de la temperatura por deba­ jo de los 0 *C supone un cambio notable de las propiedades dieléctricas. Esto es debido a que al congelarse, las moléculas de agua tiene a mu­ chísima m enor movilidad. El cambio es tan grande que el hielo se comidera prácticamente transparente a las microondas y tiene unas pro­ piedades dieléctricas completamente distintas del agua líquida (el agua a 24 *C tiene un t de 78 y un e" de 1,7, mientras que la e' y el e“ del hielo a 0 *C son 3,2 y 0,003, respectivamente). Esto es de gran importancia en la descongela­ ción de los alimentos, donde las microondas pueden acentuar las diferencias de temperatu­ ra en distintas panes del producto. Por su parte, el mayor contenido en sales de un alimento implica mayor conductividad y, por lo tanto, un calentamiento más rápido y menor poder de penetración. En el equipo microonda adquiere especial relevancia la frecuencia utilizada y la intensi­ dad del campo eléctrico. Cuanto mayor es la frecuencia, más elevada es la potencia absorbi­ da, aunque la profundidad de penetración es menor. Este aspecto es especialmente im por­ tante para regular el tratamiento en relación con el grosor del material que se va a tratar. Por otra parte, es evidente que cuanto mayor es la potencia de la radiación aplicada, más rá­ pido es el calentamiento. Sin embargo, el em­ pleo de una potencia elevada puede causar un calentamiento no homogéneo, pudieodo pro­ ducirse sobrecalentamientos locales que pue­ den afectar adversamente a las características sensoriales. Por regla general, los procesos con microondas han de ser tan lentos como sea po­ sible, porque incluso así serán mucho más rápi­ dos que los métodos convencionales. La poten­ cia de los equipos industriales suele estar entre 5 y 100 kW y la de los domésticos entre 1 y 2 kW. Hay que tener ea cuenta, además, la rela­ ción entre el volumen que se va a procesar y la potencia del horno. La potencia absorbida dis­ minuye rápidamente con el tamafio de la carga. En general se puede decir que a doble carga se necesitará doble tiempo de procesado para ob­ tener el mismo efecto. Las microondas generan calor en el interior de los alimentos a una determinada profundi­ dad, por transferencia casi instantánea de la energía dei campo electromagnético. El calor así generado se transmite a las regiones interio­ res del alimento por conducción (convección en el caso de los líquidos) y de la superficie del producto al entorno por convección natural o forzada y radiación. En consecuencia, la difu­ sión del calor en el alimento está condicionada por las propiedades geométricas, físicas y tér­ micas del alimento. Cuanto mayor sea el cama- fio de un alimento más vinculado estará su ca­ lentamiento a la conducdóa térmica. Para ob­ tener un calentamiento homogéneo la forma de las piezas que se van a tratar ha de ser lo más uniforme posible. Los defectos más fre­ cuentes derivados de la geometría del producto son el sobrecalentamiento de los bordes y es­ quinas en los poliédricos y del centro en los es­ féricos o cilindricos. La velocidad con la que aumenta la tem ­ peratura una vez absorbida la energía microon­ das depende del calor específico y de la con­ ductividad térmica. O tras propiedades físicas importantes son la viscosidad (porque condi­ ciona el movimiento por convección) y la poro­ sidad (ya que interfiere en la velocidad de mi­ gración de la humedad hacia el exterior). La densidad también influye en las propiedades dieléctricas dei alimento. Como la t ‘ del aire es 1, es decir, es transparente a las microondas, la inclusión de aire siempre supone la reducción de la e '. El primer horno microondas dom éstico apareció en 1955, bajo la firma Raytheon Cor­ poration de Massachusetts. Las primeras uni­ dad es que se comercializaron eran muy volu­ minosas hasta que se cambió el sistema de re­ frigeración dé agua por el de ventilación con aire. La popularidad de estos hornos aumentó notablemente al desarrollar las industrias Lit­ ton un modelo compacto a finales de los aflos cincuenta. En la actualidad, existen equipos industriales continuos y discontinuos de gran capacidad. Los componentes básicos de un equipo mi­ croondas (figura 93) son: una fuente de alimen­ tación donde la corriente eléctrica alterna de suministro público (60 Hz) se transform a en corriente continua de elevado voltaje; un siste­ ma generador de microondas que convierte la corriente continua de elevado voltaje en micro- ondas de la frecuencia deseada; y un tubo guía- ondas que conduce las microondas desde el ge- A) OPERACIÓ N DISCONTINUA Tubo gusa-ondas VanSador P a ra d a s___ reflectora* P lu s J ^ S _ ^ ¿T ^C (C cccccca«cccq3 | d ^ n w \ o V in tan i (con ral raltactora) B) O PERACIÓ N CONTINUA Material da choque Carga absórbanla Sooortacon R PRff ©© a ............./ Cinta transportadora Soporta» da la a n ta transportadora Figura 9.3. Esquema de distintos equipos microondas. nerador a la cavidad del horco, donde las mi­ croondas interaccionan con el material a tratar. En algunos casos la interacción de las microon­ das con el material se produce en el mismo tu­ bo gula-ondas, aunque no es lo habitual en la Industria Alimentaría. El equipo básico se puede asociar con siste­ mas tradicionales para la inyección de aire a dis­ tinta temperatura (convección forzada) o de va­ por de agua, con una fuente de infrarrojos (para el dorado superficial) y, en el caso de alimentos sensibles al calor, con bombas para operar en condiciones moderadas de vacío. En este último caso, la reducción de presión está limitada a 13,32-26,66 kPa, ante la posibilidad de provocar problemas de arco. De esta forma, se pueden tener las ventajas del calentamiento convencio­ nal con menores tiempos de procesado. Dependiendo del grado de sofisticación del equipo, existen distintos sistemas de control p ara regu lar la operación. Por ejemplo, para controlar la potencia de acuerdo con la veloci­ dad con que se introduce el material a procesar o con el aumento de temperatura que se desea en el producto. Actualmente es también habi­ tual introducir un isodrculador de ferrita entre el magnetrón y la cavidad, con el fin de desviar la energía reflejada hacia el primero a una car­ ga de agua para su absorción. De esta forma se evitan averías en el magnetrón. El generador de microondas es el compo­ nente más importante de estos equipos y tam­ bién el más complejo y sensible. Puede ser de varios tipos (campo cruzadc, tipo ¡clister, gene­ radores de estado sólido), aunque los más di­ fundidos son los magnetrones. Éstos consisten básicamente en un diodo circular (figura 9.4), con el cátodo en el interior y un ánodo anular, formado por placas denominadas resonantes, conectadas alternativamente. El conjunto está FiGUBA 9 .4 . Esquema de un magnetrón. Fuente: Buffler ( 1 992 ). cerrado por ambos extramos para hacer e! va­ cio. Por debajo y por encima de esta estructura hay dos anillos de material magnético (general­ mente ferrita) que producen un campo magnéti­ co paralelo al eje del filamento, es decir, perpen­ dicular al campo eléctrico. Al calentarse el fila­ mento (cátodo) se liberan electrones de :¡u superficie metálica que se aceleran radialmente hacia el ánodo bajo la influencia del campo eléc­ trico creado al apticar un potencial de 4.000 V entre el ánodo y el filamento. El campo mag­ nético, por su parte, fuerza a los electrones a seguir una trayectoria curva. Este movimiento de los electrones provoca una inversión perió­ dica de la polaridad de los resonantes del án>>- do, que se transmite a los unidos alternativa­ mente, con una frecuencia igual a la de radia­ ción microonda que se quiere emitir. Un filamento conectado a uno de los resonantes actúa como antena transmitiendo la alternan­ cia de cargas a la cavidad de procesado a través del tubo guía-ondas. Tanto la cavidad como el tubo gufa-ondas son de un material (normal­ mente aluminio) que reñeja ¡as microondas. La amplitud de las ondas presentes en la cavidad, las que salen del tubo y las reflejadas, se suman y restan, produciendo regiones en las que el campo eléctrico es muy intenso y otras en las que es muy débil. De esta forma, en la cavidad de procesado existirán puntos calientes y pun­ tos fríos y el tratamiento aplicado no será uni­ forme, siendo esto uno de los mayores proble­ mas del tratamiento con microondas. En los hornos domésticos y en los destina­ dos a la restauración colectiva (normalmente a ra un único magnetrón), para evitar el calen­ tamiento desigual se emplean al menos dos es­ trategias: un agitador o ventilador metálico si- tuado CA a i p in?n ArenA* CÜtEÉB, lirpvmWar a la cavidad, y que refleja las microondas por la misma, y un plato giratorio para hacer pasar el alimento varias veces a través de los máximos y los mánimos del campo eléctrico. En el caso de los sistemas industríales, cuando son de tipo discontinuo normalmente se aplica un movi­ miento oscilatorio al producto. Si son conti­ nuos, existe una cinta transportadora (transpa­ rente a las microondas) que mantiene un cierto movimiento en la cavidad de procesado con el mismo efecto que el plato giratorio. Por otra parte, se distribuyen varios magnetrones de menor potencia (por encima y por debajo del producto e incluso también por los laterales) que mejoran sustancialmente la distribución de la energía en la cavidad (figura 9.3). La seguridad es un factor muy importante de los sistemas microondas. Para evitar el esca­ pe de radiación microonda, los hornos domés­ ticos disponen de una estructura de choque en­ tre la puerta de acceso y el frontal de la cavi­ dad. Por otra parte, el cierre de la puerta de la cavidad actúa como un interruptor eléctrico, deteniendo el funcionamiento del generador de microondas cuando se abre. El cristal de la ventana de observación de la puerta del horno microonda lleva incorporada una rejilla metáli­ ca, con una apertura de malla igual a XJA, que refleja e impide la salida de la radiación (figura 9.3). En los sistemas industríales existen ele­ mentos reflectores o cargas absorbentes en las puertas de entrada y salida del producto. La regulación vigente en Estados Unidos establece un máximo de pérdida de radiación microonda de 5 mW cm'1 medido a 5 cm de distancia de cualquier parte del horno. Este nivel es bastante inferior al umbral de per­ cepción del cuerpo humano, que se estima en 20 mW cm"2. B) Efecto en ¡os alimentos y aplicación en la Industria Alimentaria Las características principales del calenta­ miento por microondas en relación coa otras •formas convencionales de calentamiento pue­ den resumirse en los siguientes puntos: 1. El aumento de la temperatura es muy rá­ pido, porque la densidad de potencia aplicada es muy alta y el calor se produ­ ce en el interior del alimento y no depen­ de, en principio, de la conductividad tér­ mica de los alimentos. La velocidad del calentamiento puede estimaise en cuatro veces superior a la de un proceso con­ vencional, lo que'conduce, en la aplica­ ción industrial, a un mayor volumen de producción y un menor requerimiento de espacio en el área de procesado. 2. El calentamiento es más uniforme que el logrado por infrarrojos, ya que el gra­ diente de temperatura entre la superficie y el centro del alimento es mucho menor. 3. El calentamiento es selectivo, puesto que prácticamente toda la energía se emplea para calentar el alimento y no el ambien­ te; en consecuencia, las pérdidas de ener­ gía son menores. 4. La energía se puede transmitir a distan­ cia y se puede propagar en ambientes va­ riados. 5. La ausencia de inercia permite un con­ trol rápido. El nivel de potencia se puede ajustar electrónicamente en una fracción de segundo. 6. La eficiencia del proceso es grande, sien­ do habitual una conversión de más del 50% de la energía eléctrica (60 Hz) en la generación de calor en el producto. El calentamiento por microondas, aunque más homogéneo que el obtenido en los méto­ dos convencionales, produce una distribución no totalmente uniforme de la temperatura en el producto. Este hecho deriva, por una parte, de las variaciones en la densidad de potencia apli­ cada por unidad de área y, por otra, de la hete­ rogeneidad de la composición del alimento. Los productos calentados mediante este sis­ tema no presentan pardeamiento no enzimáti- co ni formación de corteza superficial, lo que puede ser una ventaja en algunas aplicaciones pero supone una gran desventaja cuando la ter­ minación culinaria del producto requiera estas características. Esto se debe a que la genera­ ción de calor por microondas es muy rápida, la am se mantiene elevada y la temperatura de la superficie, mientras exista agua, no sobrepasa el punto de ebullición de ésta. Todas estas con­ diciones no son adecuadas para que se produz­ ca pardeamiento superficial de forma manifies­ ta, que requiere temperaturas superiores a los 177 “C. La rapidez y la limitación de la tem­ peratura también condiciona el desarrollo del sabor y del aroma, de forma que el tratamiento con microondas da lugar, en muchas ocasiones, a un producto completamente distinto al obte­ nido por métodos tradicionales. Aunque ha existido cierta controversia acer­ ca de si la radiación microonda ejercía o no efectos distintos de los térmicos, en la actuali­ dad se acepta que la destrucción de los microor­ ganismos y nutrientes termolábiles acontecida durante su uso está gobernada por las mismas relaciones tiempo-temperatura que en los pro­ cesos de calentamiento convencionales. La ven­ taja de los tratamientos con microondas está en alcanzar mucho más rápidamente la temperatu­ ra necesaria para la destrucción de microorga­ nismos (etapa de calentamiento), mientras que los períodos de equilibrado, mantenimiento y enfriamiento son independientes del método de calentamiento utilizado. De esta forma, el tiem­ po de tratamiento puede ser un 5% del requeri­ do en el calentamiento por conducción y, en consecuencia, hay una mayor retención de nu­ trientes y compuestos aromáticos y sápidos. Aunque las microondas son una forma lim­ pia de energía y poseen unas características es­ peciales muy adecuadas para ciertos procesos, conllevan un gasto energético elevado. El coste derivado del gasto de energía eléctrica puede ser tres veces superior al consumo energético de los métodos tradicionales. En consecuencia, el empleo de microondas debe limitarse a aquellas aplicaciones donde supongan una ven­ taja sustancial o cuando sus efectos no se pue­ dan conseguir por otros medios. Un análisis de la evolución del empleo de las microondas en la Industria Alimentaria re­ vela que muchas aplicaciones desarrolladas en los primeros años han desaparecido casi por completo al haberse mejorado los procesos tra­ dicionales a los que sustituyeron (secado de pa­ tatas fritas, fritura de donuts, cocinado de po­ llo), mientras que otras continúan en uso y han aparecido otras nuevas. Entre las aplicaciones que han tenido mis éxito se encuentran el atemperado de carne y pescado, la deshidrata- ción de pasta, cebollas y aperitivos, el preco- cinado de beicon, pollo y hamburguesas y la pasterización y esterilización de distintos pro­ ductos. Hay que señalar que las microondas, generalmente, se combinan con formas de ca­ lor convencionales. El cuadro 9.5 recoge las particularidades de las principales aplicaciones de microondas en la Industria Alimentaria. La aplicación de microondas para procesos de atemperado ha sido la de mayor éxito, al reemplazar un proceso convencional largo e ine­ ficaz por otro con un requerimiento energético muy bajo. El atemperado con microondas se re­ aliza en un corto periodo de tiempo (algunos minutos), sin necesidad de desempaquetar el producto. El tratamiento se realiza habitual- mente por aplicación intermitente de microon­ das, para permitir el equilibrio térmico, y asocia­ do con la circulación de aire frío para limitar el sobrecalentamiento de los bordes y las esquinas. Tratamientos de deshidratación y secado por métodos tradicionales combinados con el empleo de microondas se realizan con éxito en diversos productos como pastas, salsas de to­ mate, cebollas, arroz y aperitivos. Puesto que el coste de la deshidratación empleando sólo mi­ croondas es muy elevado, éstas se emplean úni­ camente en la etapa final (por debajo del 20% de húmedad), cuando la velocidad de secado desciende. De esta forma, se reduce notable­ mente el tiempo de tratamiento (de 8 a 1,5 ho­ ras en la elaboración de pastas) y el coste final del proceso (hasta en un 33%). También se ha indicado que mejora la calidad del producto ya que no se produce endurecimiento superficial. En el cocinado y precocinado, la aplicación de microondas se combina con aire caliente, va­ por de agua o fuente de infrarrojos. En este grupo de aplicaciones destaca el precocinado del beicon donde, además de mejorar el rendi­ miento, la grasa obtenida es de gran calidad y se puede emplear para otros fines. El modelo sueco Inpro utiliza microondas para el precoci­ nado en continuo de porciones de carne y pes­ cado previamente tratados con placas de teflón cubiertas con aluminio para obtener un pardea­ miento superficial adecuado del producto. El empleo de microondas en el horneado permite una reducción del tiempo de procesa­ do de un 66%. El principal problema que plan­ tearon las microondas en esta aplicación fue la ausencia de pardeamiento superficial y de for­ mación de corteza. Para solventar este hecho CUMXO 9.5. Aplicación»! de lo i microondas »n la industria Alimentario. Apiicoción Frecuencia (MHz) Potencio (kW| Producto! Atemporado 915 3070 Carne, pescodo. ov»t Desbidraioción y secado 915 2.450 30-50 Paito, ceboflai. aparilráoi, zumo d» frutos Precocinado 915 2.450 50-240 B«icon, homburgitetos. polo, embutidos Paiten’ noción/» iteriH roción 2.450 10-30 Paito Iré ico. platos preparados, olimeotos envesodos, afeitamos semisólidos, bebe, pon en rabonodos Horrteodo 915 2-10 Pon, productos de botana vente, «es# (1992) los tratamientos suelen combinarse con radia­ ción infrarroja. Por otra parte se han desarro­ llado una serie de agentes de pardeamiento pa­ ra conferir un aspecto dorado a los productos tratados por microondas. Un ejemplo de esta naturaleza es el Micro plus™, que es una emul­ sión w/o con un colorante que *e libera cuando el producto se calienta en el microondas. Con el empleo de esta forma de calentamiento, ha surgido la necesidad de desarrollar aditivos que proporcionen a los productos tratados ca­ racterísticas organolépticas adecuadas. Para es­ te fin, se han elaborado aromatizantes estables y mezclas de precursores sápicos y aromáticos para su transformación durante el calentamien­ to rápido y poco intenso que caracteriza a las microondas (aromas dinámicos). La destrucción de microorganismos (paste­ rización, esterilización) por tratamiento con microondas, además de ^cortar el tiempo de procesado, permite tratar los alimentos envasa­ dos, siempre que el material de estos últimos sea adecuado (transparente a las microondas y estable a temperaturas elevadas). La pasteriza­ ción y esterilización por microondas requiere un ajuste muy cuidadoso del equipo y general­ mente se asocia con el empleo de aire caliente para evitar problemas derivados de la posible falta de uniformidad en el calentamiento. A ni­ vel de planta piloto se han esterilizado alimen­ tos líquidos y semilíquidos y, en Europa, ya se han comercializado algunos platos preparados esterilizados con este procedimiento (principal­ mente pastas estables a temperatura ambiente y con una caducidad de hasta un año). Entre los productos pasterizados con microondas se encuentran pan, patatas, pescado, verduras y ensaladas. En Europa existen unas 50 instala­ ciones, localizadas principalmente en Suecia, Dinamarca, Alemania y Suiza. El escaldado de frutas y verduras por micro- ondas es un ejemplo de aplicación no recomen­ dable, ya que su coste económico es mucho más elevado que con los métodos tradicionales y no se mejora la calidad del producto. A pesar de ello, el sistema sueco Scanpro utiliza esta ra­ diación en combinación con agua hirviendo pa­ ra el tratamiento de patatas enteras peladas. Las microondas también se han empleado para la destrucción de aflatoxinas en frutos se­ cos, de triquina en carne y de insectos en cerea­ les. Existen otras muchas aplicaciones de las mi­ croondas que se encuentran actualmente en dis­ tintas etapas de desarrollo, entre ellas pueden citarse: la lioftlización, la coagulación de produc­ tos cárnicos, el tostado de café y cacao, la aper­ tura de ostras y el desplumado de las aves. La aceptación de los sistemas microondas ha hecho que la Industria Alimentaria se ocupe de la elaboración de nuevos productos diseña­ dos, específicamente, para ser preparados con esta forma de calentamiento. Para ello, ha sido necesario la reformulación de muchos produc­ tos y la adaptación de recipientes y envases. Se tiende a emplear almidón, celulosa, alginatos, alcoholes, aceites y emulgentes para obtener un calentamiento uniforme. En relación con los utensilios y envases, hay que diferenciar entre aquellos pasivos, transpa­ rentes a las microondas, y los activos que modi­ fican la interacción de las microondas con el ali­ mento. Entre los primeros se encuentran el vi­ drio, la cerámica, el papel, el cartón y los plásticos. En este último caso es especialmente importante elegir un material con una termo­ rresistencia acorde con la temperatura que va a alcanzar el alimento durante el tratamiento. Los metales se consideran generalmente inadecuados porque reflejan las microondas y por el peligro de ocasionar arco eléctrico. Los envases activos son aquellos que cam­ bian la configuración del campo eléctrico o magnético y, por lo tanto, la forma en que el producto que contienen va a calentarse. En es­ te envasado activo se incluyen los susceptores y los materiales barrera que, junto a los materia­ les transparentes y mediante su combinación, permiten el diseño de envases para platos que contengan distiatos componentes que requie­ ran diferente velocidad de calentamiento. Como material barrera normalmente se em­ plea el papel de aluminio, que refleja las micro­ ondas e impide su interacción con el producto, reduciendo su velocidad de cocinado con res­ pecto a otros componentes del mismo. La mayor innovación está en el empleo de susceptores (o receptores), que permiten a los productos preparados para ser calentados con microondas competir con los alimentos calenta­ dos por métodos convencionales. Éstos contie­ nen materiales que absorben y convienen la energfa microondas en energía radiante o infra­ rroja, consiguiéndose así una temperatura lo su­ ficientemente elevada como para que se desen­ cadene y progrese la reacción de Maillard. Los más comunes están fabricados con películas de poliéster cubiertas con aluminio. Los suscepto­ res de segunda generación presentan metales como níquel, cobre, hierro y acero inoxidable y tienen la ventaja de convertir el componente magnético de las microondas en energía térmi­ ca. El problema que existe actualmente es que el calor generado en el componente metálico puede afectar a la película plástica que los con­ tiene, fundiéndose y transfiriéndose los adhesi­ vos del mismo al alimento. Por tanto es necesa­ rio utilizar plastificadores y materiales de en- trecruzamiento más estables. 9.2.3. Calentamiento dieléctrico El calentamiento dieléctrico se define como la calefacción de un material aislante eléctrico por las pérdidas que se producen ea él cuando se le somete a un campo eléctrica alterno. El proceso consiste en colocar el producto que se va a calentar (dieléctrico) entre dos placas o electrodos paralelos, denominadas placas capa­ citantes, que están unidas a un generador alter­ no de alta frecuencia y capacidad (figura 9.5). El calor se genera, al igual que en los hornos microondas, por fricción de las moléculas dipo- lares como respuesta a la aplicación de un cam­ po eléctrico alterno. Las frecuenc'as utilizadas son más bajas que las empleadas en los homos microondas, oscilando en el intervalo de 1 a 300 MHz, aunque a nivel industrial suele utili­ zarse 30 MHz. La principal diferencia entre el calentamiento por microondas > el calenta­ miento dieléctrico es que, mientras el primero es un fenómeno de radiación, el segundo es un fenómeno electrostático, ya que el alimento permanece en contacto con las placas capaci­ tantes. La potencia desarrollada entre el die­ léctrico viene dada por la ecuación- P = (E2fA ) /(d e ’ tgS) (9.8) siendo E = intensidad del campo eléctrico, / = frecuencia, A = área del dieléctrico, d = espe­ sor del dieléctrico, e“ = constante dieléctrica del producto que se quiere calentar, tg 8 - tan­ gente del ángulo de pérdida del dieléctrico, (e~ tg S =factor de pérdida). Por tanto, el calor ge­ nerado depende de la frecuencia y de la intensi­ dad del campo eléctrico. El voltaje aplicado es- FlGüIlA 9.5. Esquema de un calefactor dieléctrico. t i limitado por la resistencia dieléctrica del ma­ terial que le calienta y por la presencia de arcos entre los electrodos. Por esta razón los aparatos industriales están limitados a unos 15 kW. El es­ pesor de la pieza del alimento está condiciona­ do, igualmente, por la producción de arco en­ tre las placas capacitantes. Los aparatos de calefacción dieléctrica, en general, están compuestos por una cinta trans­ portadora de un material con factor de pérdida bajo, que hace pasar los alimentos a una veloci­ dad controlada entre las placas capacitantes. La placa superior se puede elevar o bajar para regular el calor generado en los productos tra­ tados, siendo también variable la alimentación de energía eléctrica. Por razones económicas, los generadores utilizados en estas instalacio­ nes son de frecuencia inferior a 100 MHz. Aun­ que se han construido equipos que producen cientos de kilowatios, la mayoría de los que fe utilizan son unidades de calefacción capaces de disipar 30 kW de energía en el producto ali­ menticio con una eficacia de un 50%. Este sistema de calentamiento es muy rápi­ do en comparación con los métodos convencio­ nales, y las pérdidas de energía son mínimas. Permite el tratamiento continuo de los alimen­ tos y un control automático y preciso del pro­ ceso. El sobrecalentamiento local es muy esca­ so, por lo que se reduce el deterioro térmico de los alimentos. Al utilizarse frecuencias inferio­ res a las empleadas en los hornos microondas, la profundidad de penetración es mayor. Por las mismas razones detalladas en el caso de las microondas, no se produce pardeamiento en la superficie del alimento. El calentamiento dieléctrico se ha empleado en la Industria Alimentaria con diversos objeti­ vos, aunque no se tiene constancia de su uso para la pasterización o esterilización de alimen­ tos. Las aplicaciones más frecuentes en la In­ dustria Alimentaria son las siguientes: a) En el tratamiento posterior al cocido de bizcochos para reducir el contenido de hu­ medad hasta el 2%. b) En el proceso final de secado de pan tos­ tado. galletas, cubos de azúcar. Sin em­ bargo, dado el elevado gasto energético (se requiere alrededor de 2 kW h*1 para evaporar 1 kg de agua) no resulta econó­ micamente rentable para eliminar gran­ des volúmenes de agua. c) En la descongelación de alimentos en bloque (huevos, carne, pescado, zumos de fintas) con la ventaja, frente al em­ pleo de microondas, de tener mayor pro­ fundidad de penetración. d) En la fusión de chocolate, mantequilla y grasas en general. 9.2.4. Calentamiento óbmico El calentamiento óhmico se produce cuan­ do una corriente eléctrica pasa a través de un producto conductor de la electricidad. En este caso, se recurre al empleo de comente alterna de baja frecuencia (50-60 Hz). La energía eléc­ trica se transforma en energía térmica en el in­ terior del producto de forma similar a como su­ cede en el calentamiento por microondas o en el dieléctrico, aunque se diferencia de estos úl­ timos en que la profundidad de penetración es prácticamente ilimitada. La extensión del ca­ lentamiento depende de la uniformidad espa­ cial de la conductividad eléctrica en el produc­ to y del tiempo de residencia del alimento en el sistema. El parámetro fundamental es la con­ ductividad eléctrica del alimento; bajo este as­ pecto se distinguen dos tipos de materiales: a) Los no conductores o aislantes, como las grasas, aceites, azúcares y sólidos no me­ tálicos tales como huesos, celulosa y es­ tructuras cristalinas (incluido el hielo), que no se ven afectados por el calenta­ miento óhmico. b) Los conductores que, por lo tanto, se ca­ lientan al paso de la corriente eléctrica.- La mayoría de los alimentos se compor­ tan de esta forma ya oue contienen, al menos, una cantidad moderada de agua y sales disueltas. La velocidad de generación de calor en un alimento sometido a un campo eléctrico viene determinada por la ecuación: Q = V'-s (9.9) donde Q representa la velocidad de generación de calor por unidad de volumen, V la diferen­ cia de potencial generada por la instalación y s la conductividad eléctrica. Esta última difiere entre sólidos y líquidos y. a su vez, depende de la temperatura y del tamaño de las partículas sólidas. Un calentador óhmico típico (figura 9.6) es­ tá formado por una columna o cilindro de ace­ ro inoxidable recubierto internamente por un aislante eléctrico de naturaleza plástica. Den­ tro y en la parte central se sitúan una serie de electrodos, de forma que la columna se divide en secciones o espacios entre electrodos. La co­ lumna se dispone en vertical o ligeramente in­ clinada, siendo el flujo del producto ascenden­ te. Una válvula colocada en la parte superior asegura que la instalación esté siempre llena de producto. La columna tiene que estar configu­ rada de forma que cada una de sus secciones presente la misma impedancia eléctrica. Para ello, la distancia entre los electrodos aumenta al aproximarse a la salida de la instalación. De esta forma, se intenta compensar el incremento de la conductividad del alimento al aumentar su temperatura (debido a la mayor movilidad iónica); una excepción serían los fluidos en los que la viscosidad se incrementa con la tem­ peratura, tal es el caso de aquellos productos que contienen almidón sin gelatinizar. Esta forma de generar calor permite el pro­ cesado en continuo de productos sin necesidad de disponer de superfieies de intercambio de calor, por lo cual el riesgo de sobrecalenta­ miento y formación de corteza es muy bajo. El calentamiento es rápido y se geaera en el inte­ rior, por lo que es bastante uniforme. El proce­ so es fácil de controlar y regular, ei coste de mantenimiento es bajo y el rendimiento en la utilización de la energía eléctrica es mayor que el conseguido con las microondas. El calentamiento óhmico de los alimentos no es un idea nueva, ya a comienzos de este si­ glo se estudió la posibilidad de pasterizar la le­ che tratándola entre dos placas éntre las que existía una diferencia de potencial. La falta de instalaciones adecuadas y la dificultad de con­ trolar el proceso hizo que esta tecnología se abandonara. En los últimos años, el desarrollo de equipos más adecuados ha permitido reavi­ var ei interés por esta forma de calentamiento. En los primeros estudios sobre la esterilización de alimentos mediante calentamiento óhmico, se pensó que la destrucción de microorganis­ mos podía deberse, más que al calentamiento, al efecto de la electricidad sobre éstos. Sin em­ bargo, estudios recientes en los que se compara la cinética de destrucción de ios microorganis­ mos durante un tratamiento térmico conven­ cional y la acontecida en el calentamiento óh­ mico indican que el efecto bactericida, al igual que en el calentamiento por microondas y die­ léctrico, se debe única y exclusivamente al in­ cremento de la temperatura, sin que existan in­ dicios de fenómenos atribuibies al campo eléc­ trico aplicado. El inconveniente más importante de este ti­ po de tratamiento radica en la dificultad que conlleva el cálculo del efecto letal total del ca­ lentamiento óhmico, dado que éste depende de múltiples factores. Los parámetros más im­ portantes implicados son la conductividad eléctrica de los diferentes componentes del ali­ mento y la distribución de la corriente eléctri­ ca en el sistema. La presencia de partículas con diferente tamaño, la diferencia en conduc­ tividad entre las fases sólida y líquida y la mo­ dificación de ésta con la temperatura pueden dar lugar a ritmos de calentamiento complejos que dificultan la predicción del incremento de la temperatura. El calentamiento óhmico está, sobre todo indicado para el procesado aséptico de alimen­ FIGURA 9.6. Esquema de un equipo de calentamiento áhmico. A) Fundamento, 8) Columna de calentamien­ to óJvnico, C) Diagrama de un sistema de esterilización con calentamiento óhmico y envasado aséptico. C1P, cleaning in place [limpieza ¡n sito). tos coa uxl contenido en agua superior al 30%, que pueden bombearse a través de conduccio­ nes. Entre otras aplicaciones, resulta especial­ mente atractivo para la esterilización en conti­ nuo de alimentos particulados, compuestos por una fase líquida y una fase sólida constituida por partículas de tamado variable. £a estos ca­ sos, el calor se genera simultáneamente en am­ bas fases; por lo tanto, el calentamiento de las porciones sólidas no depende, como en los mé­ todos tradicionales, de la conductividad térmica a través del fluido. Oe esta forma, el tratamien­ to es mucho mis uniforme, puesto que para lle­ gar a la esterilización del centro térmico de las porciones sólidas no es necesario el sobrecalen­ tamiento de la superficie de éstas ni el de la fase líquida. En este caso, la regularidad del trata­ miento depende de la conductividad eléctrica de las fases líquida y sólida. En consecuencia, cuanto mis próximos estén estes valores más homogéneo será el calentamiento. El tamaño de partfeula es un aspecto importante ya que cuanto menor sea éste, mayor será la conducti­ vidad eléctrica. Por todo ello, el calentamiento óhmico se está utilizando con grandes ventajas en los tratamientos de esterilización de alimen­ tos a alta temperatura durante coto tiempo. La figura 9.6 muestra el diagrama de una instala­ ción de esta naturaleza. Este tipo de instalacio­ nes, normalmente, trabajan bajo en cierto grado de vacío (0,2 kPa en la esterilización de produc­ tos ácidos y 0,4 kPa en los poco ácidos) y pue­ den alcanzarse temperaturas de 120-140 °C. El producto se calienta hasta la temperatura de tratamiento de forma progresiva en su recorrido por el calentador óhmico. A la salida de éste, pasa a un tubo de mantenimiento aislado térmi­ camente que permite ajustar el tiempo de trata­ miento. El enfriamiento se realiza en un inter­ cambiador de calor tubular y, finalmente, el producto pasa a un tanque de almacenamiento conectado a un sistema de envasado aséptico. En la actualidad, el calentamiento óhmico se está utilizando en el tratamiento de productos que contienen porciones de carne, langostinos, judías, champiñones y frutas (kiwis. melocoto­ nes, peras y manzanas) troceados en cubos o en rodajas con un tamaño no superior a 25 mm en cualquiera de sus direcciones. Por otra parte, se está empleando en el procesado térmico de fru­ tas enteras de pequeño tamaño (fresas y moras) y en la esterilización de productos viscosos co­ mo salsas de quesos y postres lácteos. 9.2.5. Calentamiento por inducción En este método, el calentamiento del mate­ rial se logra mediante la comente inducida en él por un campo magnético alterno. En la Industria Alimentaria prácticamente sólo se utiliza en el procesado culinario. Como ya se ha mencionado, los alimentos presentan cantidades trazas de minerales magnéticos. Por tanto, la distorsión creada en ellos por la inci­ dencia de un campo magnético es despreciable. Sin embargo, pueden utilizarse como focos de calefacción superficies y recipientes fabricados con metales magnéticos, en los cuales la al­ ternancia de un campo magnético induce una corriente de electrones. En cocinas y hornos de inducción, el calor generado en estos materia­ les se transmite por conducción a los alimentos. Estos equipos tienen la ventaja de permitir un control rápido y preciso del área de calenta­ miento, son fáciles de limpiar y la generación específica de calor (materiales magnéticos) dis­ minuye el riesgo de accidentes por quemaduras en los operarios de restauración. 9.3 . Irradiación de alimentos Son muchos los núcleos de población que se muestran reacios ante el empleo de radiaciones ionizantes y mis aún cuando el material trata­ do son los alimentos. Se trata de un problema cuya solución requiere una adecuada informa­ ción que permita al consumidor conocer las ventajas e inconvenientes de esta forma de procesar los alimentos. La irradiación de alimentos ha sido uno de los tratamientos más estudiados y evaluados precisamente por la controversia que le acom­ paña. Los resultados obtenidos en múltiples in­ vestigaciones, realizadas en distintas condicio­ nes y países, indican que el consumo de alimen­ tos irradiados carece de efectos nocivos siempre que este tratamiento se realice dentro de cier­ tos límites y en condiciones controladas. Bajo este aspecto, no- todos los tipos de radiaciones ionizantes (ondas electromagnéticas ionizantes, haces de electrones y de partículas atómicas más pesadas) pueden utilizarse en el tratamien­ to de alimentos. Si los niveles de energía de la fuente radiactiva son elevados podría presen­ tarse un fenómeno de radiactividad inducida por el cual ciertos componentes del alimento se convertirían en radiactivos. Por ello el Comité Mixto FAO/OIEA/OMS de expertos en irra­ diación de alimentos, basándose en estimacio­ nes teóricas y estudios experimentales, acordó en 1980 autorizar como fuentes de radiación, pan el tntamiento de alimentos, aquellas (ra­ yos gamma, rayos X y haces de electrones de baja energía) cuyos niveles de energía se en­ cuentran muy por debajo de los que pueden in­ ducir radiactividad. De esta forma, se garantiza que los alimentos tratados serán, en este aspec­ to totalmente seguros. El cuadro 9.6 recoge las fuentes de irradiación recomendadas y las ca­ racterísticas de las mismas. ClMOtO 9.Ó. Fuantat da irrodioción racomandodoi pora «I trotemianlo do olim ontot por ol Comité do Exporto» da lo FAO/ACA/OMS y por lo Comiúón dol Codax AAmorWonui Fuomo Enargio |M»V) itoyot gomara do rodranódidoi «Co 1.25 it t c , 0.66 ftoyoi X ganarodoi an ocolorodor» do o ladrona» S5 E ladrona i ganarodoi tn ocalarodorai FlGUKA 9.7. Efectos derivados de la irradiación de alimentos. Por ionización, > 2 HjO —> HjO + e* aq + H20 ' Por excitación - > H ,0 -» H ,0 ’ -+ H* + OH* HjO - - > OH”+ e*aq + H’ + H2 + H20 2 + H30* Aunque algunos de estos radicales se pier­ den al formarse de nuevo moléculas de agua, la mayoría de ellos intervienen de forma decisiva en la radiolisis. Su efecto es aún mayor en pre­ sencia de oxígeno, al formarse peróxidos y su- perperóxidos de gran actividad. En conjunto, la presencia de estos radicales va a condicionar las reacciones de oxidación y de reducción, provocando un desequilibrio en los procesos de óxido-reducción enzimática y, en conse­ cuencia, la desestabilización metabólica. La sensibilidad de una molécula a la irradia­ ción es directamente proporcional a su masa molecular. Esto explica que la irradiación a do­ sis bajas sea válida para prolongar la vida útil de los alimentos. Tratamientos de esta natura­ leza pueden causar la destrucción de los agen­ tes vivos presentes en los alimentos (insectos y parásitos fundamentalmente y algunos micro­ organismos) o ralentizar los procesos fisiológi­ cos de algunos vegetales (maduración, creci­ miento de brotes y raíces), sin apenas modifi­ car las características organolépticas y el valor nutritivo derivado de su composición en pro­ teínas, lípidos y carbohidratos. Ai ser los ácidos nucleicos los componentes de mayor compleji­ dad a nivel celular, la posibilidad de que ei ma­ terial genético sufra daAos directos es muy ele­ vada. De esta forma, la dosis letal de irradia­ ción asociada a cada organismo vivo disminuye a medida que aumenta la complejidad de su ADN (figura 9.8). Tanto por el efecto primario de la irradia­ ción como por el secundario, la estructura de los ácidos nucleicos puede afectarse de múlti­ ples formas, llegando incluso a romperse en uno o más puntos, y conducir a la muerte celu­ lar, cuando las lesiones ocasionadas no pueden ser subsanadas por los mecanismos de repara­ ción. Otras macromoiéculas más sencillas expe­ rimentan también modificaciones, en especial debido al efecto secundario o indirecto. De esta FIGURA 9.8. Dosis tatoles paro distintos organismos vivos. forma, los polisacáridos (celulosa, pectinas y al­ midones) pueden ser parcialmente despolimeri- zados. Las proteínas son relativamente poco afectadas, aunque la reducción de los enlaces disulfuro es la causa de la inactivación y de los cambios de conformación de algunas enzimas. También se ha observado hidrólisis de enlaces peptídicos y oxidación de grupos -SH. Entre las moléculas de pequeño tamaño, los monosacári- dos pueden oxidarse o hidrolizarse y los amino­ ácidos pueden resultar desanimados, pero son los ácidos grasos poliinsaturados los más afecta­ dos, dando lugar a hidroperóxidos inestables y a numerosos productos de degradación. En consecuencia, el efecto letal de las radia­ ciones ionizantes en organismos vivos se debe, en primer lugar, a los daños directos ocasiona­ dos en el ADN y el ARN. Estas alteraciones afectan a la expresión de algunos genes y a la biosíntesis de varias enzimas e interfieren con la división celular. Esto és válido tanto para im­ pedir la proliferación de microorganismos co­ mo para inhibir la germinación y ralentizar la maduración de ciertos vegetales. En segundo término, los resultados de ios tratamientos de irradiación se asocian con las alteraciones que tos radicales libres formados originan en ios equilibrios de óxido-reducción enzimátíca. Estas modificaciones repercuten en los procesos de síntesis metabólica y particularmente en la sín­ tesis de los ácidos nucleicos. El avance de la ra- diolisis ocasiona, además, lesiones en las mem­ branas celulares que afectan especialmente a su permeabilidad. Este hecho se debe, sobre todo. al efecto secundario de la irradiación sobre el componente üpfdico de éstas, en particular a la alteración de los ácidos grasos poliinsaturados. Estos cambios repercuten en la actividad de las enzimas asociadas a la membrana, ocasionan pérdida de líquido ¡ntracelular e incluso ruptu­ ra de la membrana y muerte celular al cabo de un cierto tiempo después del tratamiento. Por otra parte, los daños ocasionados a las mem­ branas de los orgánulos celulares, facilitan las reacciones enzimáticas ya que enzimas y sus­ tratos pueden interaccionar libremente. En el caso de los microorganismos, la ra- diorresistencia es muy diversa dependiendo de múltiples factores entre ios que se encuentra la especie, e incluso la cepa considerada. El esta­ do fisiológico también condiciona la respuesta, así la mayor radiosensibilidad se muestra en la fase exponencial de crecimiento, decrece du­ rante la fase estacionaria y es mínima en la fase de latencia. Otros factores determinantes son la composición del medio en el que se encuen­ tran y las «OAdicicn.es de tratamiento (la tem­ peratura, presencia o ausencia de oxígeno, etc.). De esta forma, las temperaturas elevadas aumentan la radiosensibilidad y algunos micro­ organismos resultan más afectados cuando se encueatran en un alimento con un contenido elevado de agua. Cuando se irradia una población de microor­ ganismos con una dosis determinada, sólo una parte de las células resultan dañadas o mueren. Con el incremento de la dosis el número de mi­ croorganismos supervivientes disminuye expo­ nencialmente, de forma similar a lo que sucede en ei tratamiento térmico. La radiosensibilidad inherente a un microorganismo está caracteriza­ da por la dosis necesaria para destruir el 90% de la población inicial (valor D). Este paráme­ tro puede tomar diferentes valores en función de las distintas condiciones ambientales. En el cuadro 9.7 se recogen algunos de ellos. De forma genérica, se puede decir que las bacterias esporuladas son mucho más radiorre- sistentes que las formas vegetativas. Entre las bacterias Gram negativas los géneros Aeromo- nas, Proteos, Serrada y Vibrio son muy radio- sensibles; Escherichia. Salnonella y Shigella lo son algo menos, siendo los géneros Acinetobac- ter y Moraxella los más radionresistentes de es­ te grupo. Las bacterias Gram positivas presentan una radiosensibilidad muy variable. Dentro de este grupo se encuentran microorganismos con ele­ vada radiorresistencia como Streptococcus fae- cium, Clostridium botulini'.m, CL perfringens y Micrococcus radiodurans, siendo este último el más radiorresistente de las bacterias vegetati­ vas, soportando incluso dosis que destruyen las formas esporuladas. Aunque la sensibilidad de los microorganis­ mos es muy dispar, las investigaciones realiza­ das han puesto de manifiesto que la aplicación de dosis relativamente bajas de irradiación per­ miten mejorar, de forma considerable, la cali­ dad higiénica de los productos tratados. Esto es especialmente relevante ec. ciertos casos, entre los que podrían mencionarse los tratamientos de canales de aves, donde la contaminación con salmonelas supone un riesgo sanitario elevado. La aplicación de dosis próximas a 2,5 IcGy a ba­ ja temperatura (alrededor de 5 SC) no ocasiona modificaciones organolépticas y reduce el nú­ mero de salmonelas de iorma significativa, aunque este tipo de tratamiento no garantiza que el producto esté totalmente libre de estos microorganismos. Resultados similares se han obtenido en estudios realizados con Staphylo- coccus aureus, en los que se ha conseguido dis­ minuir considerablemente el riesgo de toxi- infecciones de este origen En el caso de Cl. botulinum y de Cl. perfringens, dada su radio- rresistencia, es aconsejable combinar la irradia­ ción con la aplicación de calor. Hay que tener en cuenta que el tratamiento ionizante no des­ truye las toxinas microbianas y, en consecuen­ cia, (a irradiación no es válida cuando éstas se encuentran presentes en los alimentos. La flora alterante (en la que son frecuentes las bacterias Gram negativas) se reduce de for­ ma considerable con dosis comprendidas entre 1 y 3 kGy. Por otra pane, es habitual que en­ ■--»--> -UUUVIW meato "ÜMMTONrtf « ¿T -~---- r_oe vtMRMPei D ° fleGrf Aoromonoi hydfophdo Como do vacuno 2*C 0.13 Boctihs coravi Agor nutritivo Ambionn 3.20 3odth/s vtarorhfm opM ui Solución lampón O ’C 1,00 Ooetridhm boraftwoi A ^—— — r — Xnw on Hjmpon Ambionn 3.30 Oouridhun ba/vtfoum E Como da vacuno Ambionn 1,40 Qosiridivm perfringensC Aguo Ambionto 2.10 Qoeridritm podhhgoni E Agua Ambionn 1.20 itcherichh eeli Como do vocvno AmbioMo 0.43 (odoboátui tp. Camodo vacuno Ambionn 0,88 Amoví ovtgorii Poico do J*C 0,20 hendámonos Buoroscant Como do vocuno Ambionn 0.12 Sotmonetto onnnltdii Corno do vacuno Ambionn 0 7 0 Solmonofe oroaienbvtg Huevo o *c 0.32 Sotmonetto typittmvnvm Como do vocuno Ambionn o.ss Shigollo dysontoriao Gamba -1 0 *0 0.22 Ssopbyloeoeevs ouravj Como do vocuno Ambionn 0.58 Vibrio porohoemofyticin Poicado Ambionn 0,04 0 • Do«> necesa ria pora draotrá al 9 0 % do lo poM oóón m á d . G r to 'o r l ' «"idod do la do iii odioA ida. tre los microorganismos supervivientes a los tratamientos con dosis bajas de irradiación se encuentren los pertenecientes al género Lacio- baciüus, to que resulta, en especial, beneficioso para los productos cárnicos. Los hongos presentan una radiorresistencia similar a las formas vegetativas bacterianas, mientras que las levaduras son más radiorresis- tentes. Los virus son los microorganismos con mayor radiorresistencia. Sin embargo, dada la mayor complejidad de su material genético, to­ dos los insectos y parásitos que pueden conte­ ner los alimentos son muy radiosensibles. Por ello, en muchos países se utiliza este tratamien­ to para la destrucción de agentes como Trichi- nellaspiralis. Entre algunos investigadores existe una es­ pecial preocupación ante el empleo no contro­ lado de los tratamientos ionizantes y la posibi­ lidad de que éstos provoquen mutaciones en los microorganismos que incrementen su viru­ lencia. den tugar a nuevos patógenos o cam­ bien sus características dificultando su identifi­ cación posterior. No obstante, existen pocos in­ dicios para sospechar que estos fenómenos puedan suceder a dosis moderadas. 9.3.2. Efecto en la calidad nutricional y en las características organolépticas de los alimentos En la irradiación de alimentos se impone un control preciso del tratamiento aplicado. Aun­ que las fuentes de irradiación utilizadas sean las recomendadas (cuadro 9.6) y no se presen­ ten fenómenos de radiactividad inducida, la composición química de los alimentos, como ya se ha mencionado, puede verse alterada en ma­ yor o menor grado por el efecto primario y se­ cundario de la irradiación. Es interesante con­ siderar que el efecto de una determinada dosis de irradiación es mucho mayor cuando se apli­ ca sobre compuestos aislados que cuando éstos se encuentran asociados en la matriz compleja y claramente protectora de un alimento. La densidad y la viscosidad del medio condicionan el grado de migración de los radicales libres y la posibilidad d: reacción con otros compues­ tos. En un medio fluido, y cuanto mayor es el contenido acuoso, el efecto de la radiación se generaliza con mayor facilidad. La presencia de oxígeno y las elevadas temperaturas acen­ túan el efecto de la irradiación. La reducción de la temperatura es un excelente procedi­ miento para disminuir la formación de produc­ tos radiolíticos. Todos aquellos factores que pueden modificar la velocidad de las reaccio­ nes químicas del efecto secundario, como el pH o la adición de distintos aditivos, tienen que ser considerados. Bajo este contexto, la presencia de secuestrantes de radicales Ubres (protecto­ res) amortigua el efecto de la irradiación, mientras que la existencia de metales y sales (sensibilizantes) potencia el grado de altera­ ción. Por otra parte, la naturaleza del envase o del coq;enedor es otro parámetro que se ha de tener en cuenta, puesto que puede modificar la dosis de irradiación aplicada al alimento. Una buena práctica de irradiación debe compatibilizar su capacidad para prolongar la vida útil de los alimentos con el mínimo efecto en los componentes del mismo (radiolisis) para evitar pérdidas en el valor nutritivo y en la cali­ dad organoléptica de los aUmentos. Se ha bara­ jado la posibilidad de que algunos de los pro­ ductos radiolíticos, como sustancias de nueva formación ajenas a la composición inicial del alimento, podrían tener efectos nocivos. Para asegurar la inocuidad de los alimentos irradia­ dos se han realizado numerosas investigaciones en las que han participado un gran número de países. En estos trabajos se ha estudiado el efecto de dietas irradiadas a distintas dosis en animales a lo largo de varias generaciones. A raíz de los resultados obtenidos en estas expe­ riencias, el Comité Mixto de Expertos FAO/ OIEA/OMS y la Comisión del Codex Alimenta­ rias consideraron que los tratamientos con do­ sis de radiación iguales o inferiores a 10 kGy no representaban ningún peligro para la salud hu­ mana, asegurando la inocuidad de los alimentos así tratados. A estas dosis, la presencia en el ali­ mento de productos de radiolisis es mínima. Se estima que la cantidad de sustancias de nueva formación que pueden aparecer en un kilogra­ mo de alimento con una composición modelo (80% humedad, 6,6% lfpidos, 6,6% glúcidos y 6,6% proteínas), tratado con una dosis de irra­ diación de 10 kGy, es inferior a los 20 mg. De acuerdo con la norma general del Codex Alimentarias, los alimentos irradiados no de­ ben someterse a un nuevo tratamiento de esta naturaleza, a excepción de aquellos con bajo contenido hídrico (cereales, leguminosas, ali­ mentos deshidratados y productos similares). Sin embargo, ia dosis tota! de radiación ioni­ zante requerida para conseguir un determina­ do efecto puede aplicarse de forma fracciona­ da. De esta forma, pueden irradiarse alimentos con un contenido inferior al 3% de ingredien­ tes irradiados o cuando los componentes se han tratado por separado a dosis bajas (£ 1 kGy). En todo caso, la media global absorbida como consecuencia de una irradiación repetida no debe exceder los 10 kGy. Las modificaciones químicas inducidas por las radiaciones ionizantes alteran, en mayor o menor grado, la calidad organoléptica y nutritiva de los alimentos. La magnitud de los cambios or­ ganolépticos inducidos por la radiación depen­ de, principalmente, de la dosis absorbida. Parece ser que existe una dosis umbral por debajo de la cual los cambios no son detectables, mientras que dosis elevadas de irradiación causan modifi­ caciones del sabor, color y textura que pueden hacer al alimento inaceptable. Estas alteracio­ nes. sin embargo, pueden minimizarse irradian­ do el alimento envasado al vado o en atmósfe­ ras modificadas, en estado congelado o en pre- senda de antioxidantes; es dedr, siempre que se reduzca el efecto secundario de la irradiación. Una de las alterationes organolépticas más características es la aparición de un olor y/o sa­ bor típico a radiación. Este hecho se debe, fun­ damentalmente, al efecto del proceso de la ra­ diolisis en lfpidos y proteínas. En los primeros "se potencia la formadón de peróxidos e hidroper- óxidos con la consiguiente producción de alde­ hidos y cetonas volátiles que modifican el aro­ ma. En cuanto a las proteínas, una de las causas del mal olor deriva de la posible liberación de sulfuro de hidrógeno. Por estos efectos, la irra­ diación no es conveniente, incluso a dosis bajas, para e! pescado graso y únicamente serían ade­ cuados tratamientos muy euaves para la leche y productos derivados. En ei caso de la carne, la irradiación produce un cambio de sabor más acusado en los cortes magros que en aquellos con un contenido elevado de grasa. Estas altera­ ciones son menos manifiestas en la carne de cer­ do que en la de vacuno, posiblemente debido al mayor contenido de grasa de ia primera. Este regusto es más pronunciado inmediatamente después de la irradiación y decrece o incluso de­ saparece durante el almacenamiento o después de cocinar ei producto. Ercolor también puede verse afectado. Así las carnes irradiadas con do­ sis superiores a 1,5 kGy presentan un cieno os­ curecimiento. Por otra parte, puede intensificar­ se el pardeamiento enzimático como consecuen­ cia de la liberación de enzimas de orgánuios celulares debido a la alteración de sus membra­ nas, lo que facilita que sustratos fenólicos se pongan en contacto con polifenoloxidasas. Es frecuente también que se produzca una disminución de la viscosidad, como ocurre en la clara de huevo y en sopas y salsas elaboradas con almidón tratado por irradiación con dosis superiores a 1 kGy. En frutas y hortalizas se pro­ ducen cambios de textura derivados de la pérdi­ da de firmeza del tejido vegetal que conducen a un ablandamiento del producto y a un incre­ mento de la permeabilidad de los mismos. Este efecto se debe a la despolimerización parcial de los polisacáridos de la pared celular (celulosa y pectinas) y a la alteración de la membrana celu­ lar (en especial del componente lipídico de la misma). El ablandamiento no se presenta de in­ mediato sino al cabo de varias horas e incluso días después de recibir la irradiación. Esta mo­ dificación puede utilizarse con ciertas ventajas tecnológicas en algunos procesos, aunque tam­ bién limita ia dosis permisible ya que a menudo acelera loa fenómenos de descomposición. Bajo este aspecto, en algunas variedades de patatas sometidas a irradiación se ha observado un ma­ yor oscurecimiento durante la cocción. Al igual que otras modificaciones produci­ das por la irradiación, la pérdida de nutrientes depende principalmente de la dosis absorbida y de las condiciones en las que se realice el tra­ tamiento. Las investigaciones realizadas hasta la actualidad indican que el valor nutritivo de­ rivado de! aporte de macronutrientes no se modifi:a significativamente en los alimentos irradiados con las dosis recomendadas. Así, di­ versos trabajos afirman que el valor nutritivo de las proteínas en los alimentos irradiados es similar al que tienen cuando reciben un trata­ miento térmico equivalente. Los datos existentes sobre el efecto de irra­ diación en los micronutrientes son diversos. La vitamina D, la riboflavina y la niacina son bas­ tante radiorresistentes, sin embargo las vitami­ nas A, B,, E y K son mucho más radiosensi- bles. Parece ser que las pérdidas de vitamina C se han sobreestimado ya que el ácido ascórbi- co se oxida a dehidroascórbico, el cual es igual­ mente activo. Para mitigar estas pérdidas, cuando se utilizan dosis cercanas o superiores a los 10 kGy, es necesario tomar medidas de pro­ tección como puede ser tratar el producto a ba­ ja temperatura y envasado al vacío. 9.3.3. Aplicación en la Industria Alimentaria El tratamiento por irradiación, ya sea solo o combinado con otros tratamientos, ofrece cier­ tas ventajas en comparación con los métodos clásicos, entre las que pueden destacarse la po­ sibilidad de tratar alimentos después de en­ vasados y la de conservarlos en estado fresco durante períodos relativamente largos. Este tratamiento requiere, sin embargo, mayores medidas de control y seguridad y su elección debe hacerse cuando, frente a otras formas de procesar los alimentos, las ventajas sobrepasen con mucho a las desventajas. La irradiación de alimentos sólo incrementa ligeramente la temperatura de éstos, por lo tanto puede utilizarse para destruir microorga­ nismos en alimentos congelados sin que éstos cambien de estado. Además, la mayoría de los materiales utilizados en el envasado de los ali­ mentos, incluso aquellos que no resisten los tratamientos térmicos, tienen un comporta­ miento adecuado frente a las radiaciones ioni­ zantes en las condiciones de utilización de la Industria Alimentaria (cuadro 9.8). Inicialmente, los tratamientos con radiacio­ nes ionizantes se clasificaron comparándolos con los tratamientos térmicos tradicionales y teniendo en cuenta la dosis de irradiación apli­ cada. De esta forma, se definieron los siguien­ tes términos; a) Radaperdzación, cuando las dosis aplica­ das son suficientes para reducir el núme­ ro y/o la actividad de los microorganis­ mos viables ¿asta conseguir la esterilidad comercial (no afecta a los virus). Se re­ quieren dosis comprendidas entre 25 y 50 kGy. b) Radicidación, cuando las dosis son sufi­ cientes para eliminar los microorganis­ mos patógenos no esporulados. Se apli­ can dosis comprendidas entre 2 y 10 kGy. ClIAOtO 9.8. Cambio» prcvocadoi por irradiación •n material» da envarado. Material PosísIfcGrt Efecto PoJiesrireno 5.000 No detectado PoKebleno 1.000 Na detectado Cloruro da polrvínío 1PVC1 100 Pardeamiento Ooeración Oe carura de hidrógeno Papal y cartón 100 Pérdida de comineada Polipropileno 25 Se hace quebradizo Vidrio 10 Pardeamienlo Atente: M o w i (1994. c) Radurización, que consiste en aplicar do­ sis de radiación ionizante que no alteran el producto y reducen sensiblemente la carga microbiana alterante, con el fin de aumentar la vida útil del alimento. Las dosis necesarias están comprendidas en­ tre 0,4 y 10 kGy. En la actualidad, se prefiere realizar una clasificación de acuerdo con la dosis empleada. De esta forma, se consideran tratamientos con dosis baja (hasta 1 kGy), con dosis media (de 1 a 10 kGy) y con dosis alta (de 10 a 50 KGy). Esta clasificación permite agrupar con mayor exactitud los efectos y objetivos conseguidos. El cuadro 9.9 recoge algunas de las aplicacio­ nes de estos tratamientos. Para cada aplicación existe una dosis mínima por debajo de la cual no puede conseguirse el efecto que se preten­ de. La radapertización, al igual que la aplica­ ción de altas dosis, son tratamientos no avala­ dos por las recomendaciones del Comité Mixto de Expertos FAO/OIEA/OMS y la Comisión del Codex Alimentarius. La aplicacióa de dosis bajas o reducidas, in­ feriores a 1 kGy, con escaso efecto sobre las ca­ racterísticas organolépticas y nutritivas de los alimentos, aporta considerables ventajas tecno­ lógicas. Estos tratamientos son válidos para im­ pedir que aparezcan brotes en los tubérculos de patata y batata (0,08-0,14 kGy), cebollas y ajos (0,03-0,12 kGy) y jengibre (0,04-0,10 kGy), así como para inhibir la germinación de las casta­ ñas (0,20 kGy) como una alternativa a los inhi­ bidores químicos como la hidrazida del ácido maleico. La irradiación comercial de patatas lleva practicándose en Japón desde 1973 con gran éxito, de fonna que está prohibido el em­ pleo de inhibidores químicos de la germinación. De la misma forma, muchos paires (Alemania, Bangladesh, Chile, España, Hungría, Israel, Uruguay, Tailandia) permiten el tratamiento in­ dustrial de tubérculos (dosis á 0,15 kGy) y de cebollas y ajos (dosis S 0,08 kGy). La aplicación a la cebada de dosis comprendidas entre 0,25 y 0,50 kGy retrasa notablemente el crecimiento Propósito Dosis (kGy) Producios DOSIS REDUCIDA (< 1 kGy) Inhibí» germinación 0,0341,15 Patatos, cebólas, ojos, etc. Eliminar ¡ruedo» y p cris ito i 0,13-0.30 Cereales, legumbre!, frutos frascas y secos, pescado y carne frescos y secos Retratar proceto» fisiológicos (moourodón| 0,50-1,0 Frutos y hortalizas f-escas DOSIS MEDIA (1-10 kGy) Prolongar tiempo de eonservoeión 1,0-3.0 Pescado fresco, fresas, etc. eliminar microarganiimai aberoniei y patógeno» 1.0-7,0 Morisco fresco y congelado, come de aves Y da animales de abasto cruda o congeiodo Mejoror propiedade» tecnológicas del alimento 2.0-7.0 Uvas (aumento la producción de zumo), verduras deshidratadas [disminuye tiempo de cocción) DOSIS ELEVADA (10-30 kGyl* Esterilización industrial (combinada can calar suave) 3050 Carne, aves, moriscos, alimentos preporodos, dietas hospitalarias estériles Descontaminar ciertos aditivas alimentarios e ingredientes 1050 Especias, preparaciones anzimóticof, goma natural de raíces durante el malteado. De esta forma, se obtiene malta de gran calidad y se reducen las pérdidas debidas a esa causa. Por otra pane, dosis muy pequeñas de irradiación (0,01-0,10 kGy) estimulan la germinación de la cebada, lo que permite acortar el proceso de malteado y aumentar la capacidad de producción. La irradiación con dosis relativamente bajas (inferiores o iguales a 0,50 kGy) permite elimi­ nar los insectos que con mayor frecuencia da­ ñan los cereales, incluso los huevos deposita­ dos dentro de los granos. Este mismo objetivo puede conseguirse en frutos secos, hortalizas y pescado seco (aplicando dosis de 0,2-0/7 kGy). La desinsectación por irradiación comenzó a realizarse a escala industrial en la antigua Unión Soviética en el año 1980, al entrar en funcionamiento en Odessa una planta de irra­ diación electrónica para tratamiento de granos importados. La desinsectación por irradiación puede contribuir significativamente a mejorar el comercio de muchos productos tropicales y subtropicales (cítricos, mangos, papayas, etc.), al eliminarse el peligro de difusión de plagas. La irradiación permite inactivar ciertos or­ ganismos parásitos patógenos tanto para el hombre como para los animales. El nematodo Trichinella spiralis se destruye con una dosis mínima de 0,15 kGy. Otros parásitos, como las tenias del ganado vacuno y del cerdo, el proto- zoo del cerdo que causa la toxoplasmosis y di­ versos nematodos que infectan al pescado se eliminan con dosis inferiores a 1 kGy. Las dosis bajas de radiación son igualmente válidas para retrasar la maduración y el enveje­ cimiento de algunas frutas y hortalizas. Dosis comprendidas entre 0,3 y 1,0 kGy permiten prolongar la conservación de los mangos en una semana y en dos en el caso de los plátanos. La magnitud de este efecto depende de la dosis y del grado de madurez alcanzado en el mo­ mento del tratamiento. Demorar la madura­ ción de setas y espárragos requiere dosis algo mayores, entre 1,0 y 1,4 kGy. Con fines tecnológicos pueden utilizarse do­ sis medias (entre 2 y 7 kGy) para reducir el tiempo de cocción de legumbres (habas, ju­ dias), aumentar el rendimiento de extracción de zumos en las frutas y acelerar el proceso de deshidratación de frutas y vegetales. Uno de los principales objetivos de la irra­ diación de alimentos es la destrucción de mi­ croorganismos patógenos y alterantes, aunc ue la dosis de irradiación requerida para ello es. en muchos casos, demasiado elevada (superior a 10 kGy). Sin embargo, los tratamientos con dosis medias (comprendidos entre 1 y 10 kGy) permiten prolongar considerablemente el tiem­ po de conservación de diversas frutas, carne, pescado y mariscos y mejorar su calidad higié­ nica. La combinación con otros sistemas de conservación (envasado al vado, tratamientos térmicos) permite conseguir mejores resultados con dosis inferiores de irradiadón. Tratamien­ tos entre 2 y 7 kGy se han utilizado para re­ ducir la tasa de bacterias patógenas no esporu- ladas (Salmonetla, Campylobacter, Lis teña, Yersinio) en carnes de mamíferos, de aves, pescado, gambas, ancas de rana, etc. Estos productos suelen irradiarse congelados para minimizar las modificaciones organolépticas. Con dosis de irradiadón comprendidas entre 3 y 10 kGy es posible descontaminar especias, condimentos vegetales secos, hierbas, almidón, concentrados de proteínas y preparaciones en- zimáticas comerciales utilizados en la Industria Alimentaría, que suelen presentar una elevada carga tanto de agentes alterantes como de pa­ tógenos. Sin embargo, los tratamientos de este­ rilización industrial por irradiación, requieren dosis elevadas desde 10 hasta SO kGy. Los tratamientos de descontaminación a do­ sis media e incluso elevada se utilizan, en di­ versos países, cada vez con mis frecuencia. En los Países Bajos se irradian cantidades conside­ rables de gambas, camarones y ancas de rana a dosis de hasta 4 kGy, así como alimentos deshi­ dratados. En Francia se lleva a cabo la irradia­ ción de bloques congelados de carne de ave deshuesada mecánicamente. En Canadá se practica a gran escala la irradiación de carne fresca de ave. En Argentina, Brasil, Dinamar­ ca, Estados Unidos, Finlandia, Francia, Hun­ gría, Israel y Noruega es una práctica habitual la irradiación de especias. En algunos países, los envases empleados para la leche, productos lácteos y zumos de conservación prolongada se esterilizan con rayos gamma a dosis compren­ didas entre los 15 y los 25 kGy. En Alemania. Países Bajos y Reino Unido se ha aprobado la esterilización por irradiación de la comida de pacientes hospitalizados con problemas de in- munodeficiencia. La irradiación de alimentos puede ser espe­ cialmente útil en las zonas tropicales, donde las condiciones climáticas favorecen el deterio­ ro rápido de los alimentos. En estos lugares, las pérdidas debidas a la proliferación de in­ sectos y hongos, a la germinación y a la apari­ ción de brotes pueden superar el 50% de la producción. El tratamiento con" radiaciones requiere, además de personal cualificado y de un equi­ pamiento sumamente especializado, e| desarro­ llo de un sistema legislativo que garantice la correcta aplicación del proceso. Muchos países en desarrollo carecen de los mecanismos jurídi­ cos y de una reglamentación que determine los alimentos que pueden irradiarse, los objetivos del tratamiento, la dosis de irradiación que puede utilizarse en cada caso y las normas de seguridad requeridas. Por otra pane, se necesi­ ta determinar el tipo de información que debe figurar en el etiquetado de estos productos. En este contexto, la Norma General del Codex Ali­ mentarias para el Etiquetado de los Alimentos Preenvasados establece que en la etiqueta de los alimentos tratados con radiación ionizante debe figurar claramente este tratamiento. El desarrollo de pruebas para detectar y cuantificar la irradiación de los alimentos es un requisito esencial para establecer un control le­ gislativo y potenciar la aceptación de este trata­ miento entre los consumidores. Se conocen di­ versos métodos basados en la detección de los cambios químicos, físicos y biológicos que expe- (intentan los alimentos cuando se someten a es­ te tipo de tratamiento. Sin embargo, ninguno je ellos resulta fiable para cuantificar el nivel je irradiación y no son igualmente válidos para :odos los alimentos. En el cuadro 9.10 se cita el iundamento de algunos de estos métodos. En la ictualidad, la técnica más precisa es la espec­ troscopia de resonancia paramagnética electró­ nica y de resonancia magnética nuclear. 9.3.4. Fuentes y planta de radiación Como ya se ha mencionado, no todas las ra­ diaciones ionizantes pueden utilizarse en el tra­ tamiento de alimentos; algunas porque no tie­ nen el suficiente poder de penetración y otras por su elevada energía. A estas limitaciones ha­ bría que añadir la necesidad de disponer de sis­ temas eficaces y económicos que permitan obte­ ner fuentes de irradiación en cantidades sufi­ cientes para llevar a cabo el tratamiento de alimentos a nivel industrial En la actualidad, se dispone de aceleradores.de electrones o fuentes mecáaicas de radiación y de radionúclidos artr* ficiales que satisfacen los requisitos anterior­ mente raencioaados. El Comité Mixto de Ex­ pertos de la FAO/AIEA/OMS y la Cotnisióa del Codex Alimentarias recomiendan como fuentes de irradiación de alimentos los rayos gamma de los radionúclidos *°Co o IJ7Cs, los ra­ yos X generados en equipos con una energía igual o inferior a 5 MeV y los electrones genera­ dos en aceleradores con una energía igual o in­ ferior a 10 MeV (cuadro 9.6). Los haces de elec­ trones acelerados permiten tratar los alimentos a bajo coste aunque tienen el inconveniente de tener un poder de penetración limitado (de 5 a 8 cm). Para subsanar esta deficiencia, los ali­ mentos pueden irradiarse distribuidos en finas capas o realizando un tratamiento bilateral. Otra ventaja de estos equipos es la posibilidad de conectar y desconectar la fuente de irradia­ ción a voluntad, así como permitir el control preciso del tratamiento aplicado, la seguridad de uso y su elevado rendimiento energético. CUAMO 9 .10 . Método» utilizado» pata ¡a besneeión de oümeotos irrodiodo». Método» Observoctone» Delección de lo t producto» OrtoKroiino a pas lir resultantes de la hidroxiloción de molécula» aromáticas del aminoácido fenilalanino Defección de hsdroxiguonina Formados a partir de la» e hidroxicitou'na grupo» guanina y cito jino del AON Detección de compuestos Formado» por oxidación volátil#» de ácido» graso» Descenso de la viicotídad Indicada para alimento» deshidratado» y rico» en carbohidrato» Botado» en la detección de la luz emitida por la» molécula» cuando »e deiacfivan. Indicado para alimentas tó lidot fKMCROKopío dt retoñando Elevada prediión paramagnétka electrónica y de resononcia magnética nuclear (*): Esto» método» «tán bosodoi en la detección de lo» cambio» quí­ mico» y Boca» ocasionado, por la» kasamentot de «rodndón en lo» alimento». Los rayos X, a diferencia de los electrones acelerados, tienen un gran poder de penetra­ ción. $in embargo, la conversión de la energía eléctrica en este tipo de rayos es un proceso de escaso rendimiento, por lo que no resulta eco­ nómicamente rentable su utilización para el tratamiento de alimentos, aunque se están di­ señando nuevos equipos más económicos. El MCo se produce exponiendo el isótopo natural MCo a la acción de neutrones en reac­ tores nucleares. Por tanto, está disponible en grandes cantidades y su coste es aceptable; es, por ello, el radionúdido más utilizado en la In­ dustria Alimentaria. El inCs, es un producto se­ cundario del reactor nuclear su uso no está ex­ tendido por el momento debido, sobre todo, a Ouimioluminisaencia y termohjminiiceficia que ia disponibilidad del mismo es limitada y a que su extracción es costosa. Los rayos gamma desprendidos por los radionúciidos en su desin­ tegración tienen un poder de penetración ade­ cuado para el tratamiento de alimentos y permi­ ten tratar incluso grandes contenedores. La acti­ vidad de estas fuentes se mide en bequereiios (Bq) y las casas proveedoras deben indicarla. Durante el proceso de irradiación se expone el alimento a la fuente de energía de manera que absorba una dosis precisa y específica. Pa­ ra regular la dosis absorbida es necesario consi­ derar la producción de energía de la fuente por unidad de tiempo, la distancia entre la fuente y el producto y el tiempo de exposición. Por la forma de realizar el proceso las instalaciones de irradiadón de alimentos puede ser de dos ti­ pos: aquellas que permiten un tratamiento dis­ continuo y las adaptadas para realizar la irra­ diación continua. En las primeras, se irradia una cantidad determinada de alimento durante un período de tiempo predso, tras el cual se descarga la instalación para tratar otra partida de alimento. En estos casos, siempre que la energía de la fuente y la distancia a la que se localiza el alimento permanezcan constantes, la variable fundamental para regular la dosis de irradiación aplicada será el tiempo de perma­ nencia del producto en la cámara de tratamien­ to. En las instalaciones de procesado continuo, los alimentos atraviesan constantemente la cá­ mara de irradiación a una velocidad controlada y calculada, ya que ésta es la variable que ga­ rantiza la absorción de la dosis requerida. Las instalaciones discontinuas son más sencillas, más fáciles de manejar y más flexibles, mien­ tras que las de irradiación continua se adaptan mejor al tratamiento de grandes cantidades de producto. El aspecto más importante de una planta o de una instalación de irradiación es la seguri­ dad, es decir, impedir cualquier tipo de pérdida de radiación que represente un riesgo para el personal laboral. El elemento vital de una planta de irradiación es la cámara de irradia­ ción o celda caliente. Éste es el lugar donde se localita ¡a fuente de radiación (ya sea mecánica o un radionúclido) y se trata, por lo tanto, de un haoitáculo blindado, especialmente diseña­ do para absorber ia radiación y evitar cualquier fuga (figuras 9.9 y 9.10). Las füentes mecánicas de radiación pueden desconectarse cuando el perso tal ha de entrar en la cámara para cargar el producto o para realizar tareas de repara­ ción y mantenimiento. Sin embargo, los radio- núclicos permanecen constantemente activos. Por tanto, en estos casos es necesario que las cámaras de irradiadón tengan un lugar donde ubicar la fuente cuando no se utiliza. Por lo ge­ neral, se emplea con este fin un depósito de agua desionizada, lo bastante profundo como para servir de blindaje. Una variante de este sistema es la utilizadón de un foso seco recu­ bierto de hormigón que se cierra con una tapa del mismo material o de plomo. El manejo de la fuente de radiadón y del proceso se lleva a cabo desde paneles de control localizados en el exterior de la celda caliente. En la irradiación discontinua, el acceso de los alimentos a la celda caliente se realiza a través de entradas dotadas de puertas cuyo ajuste ase­ gura la hermetiddad del habitáculo durante el tratamiento (figura 9.9). Cuando el proceso es continuo, las rintas transportadoras que re­ corren la cámara de irradiación describen una trayectoria sinuosa en la que se intercala ma­ terial de alta densidad (figura 9.10). Éstas son algunas de las estrategias que pueden utilizarse para evitar que los puntos de acceso a la cámara de irradiación permitan el escape de radiadón. Parí mayor seguridad, la cámara de irradia­ ción presenta una presión ambiental inferior a la del confinamiento en la que se encuentra lo­ calizada y la de éste es a su vez inferior a la del Tccmtc exterior. De esta forma se establece una cascada de presión, que evita que cual­ quier pérdida de radiadón Uegue ai exterior. Para que ia irradiadón de alimentos resulte económicamente rentable se requiere que la caatidad de alimento tratado sea elevada. La mayoría de las plantas de irradiadón de alimen­ tos están ubicadas en un lugar fijo, sin embargo Mb - — * * *p» p re s ió n i i n M i t t i FIGURA 9.9. Esquema de uno cámara d« irradiación con fun­ cionamiento discon­ tinuo. Z o M d a c o m n l C a* ta c FIGURA 9.10. Esquema de una cámara de irradiación de tratamiento en continuo. también existen equipos móviles. En muchos países en desarrollo, la producción agrícola está descentralizada y los sistemas de transporte no permiten agrupar los alimentos a la velocidad necesaria para poder someterlos a irradiación en grandes lotes. En estas circunstancias, la so­ lución está en el empleo de pequeñas instala­ ciones de irradiación móviles y versátiles, con distintas posibilidades de aplicación. Los irra­ diadores móviles son, también, útiles para el tratamiento de productos en alta mar inmedia­ tamente después de su captura. Estas instala­ ciones requieren revisiones frecuentes con el fin de mantener los niveles precisos de seguridad y todavía están en fase de desarrollo. El coste de estos tratamientos oscila en un amplio margen en virtud de la cantidad de fac­ tores implicados, entre los que pueden citarse el tipo de fuente, la clase de instalación, el transporte del producto, el envasado especifi­ co, los tratamientos suplementarios (congela­ ción o calentamiento) y los alimentos tratados. Las plantas de irradiación de alimentos es­ tán sujetas no sólo a la inspección correspon­ diente a todas tas instalaciones de procesado de alimentos, sino también a la reglamentación y supervisión de los organismos gubernamenta­ les responsables de la inocuidad de la aplica­ ción de la radiación ionizante. Este doble siste­ ma de inspección tiene como objetivo garanti­ zar la ausencia de riesgos para trabajadores, consumidores y medio ambiente. Entre otras 1. la t radiociones electromagnéticas no ionizantes con distinto poder de penetración se utilizan po­ ra generar calor por diferentes mecanismos y son la base de varios sistemas de calentamiento (infrarrojo, microondas, dieléctrico y óhmico). 2. El calentamiento por infrarrojos es una formo de transmisión de calor en lo que la cantidad de energía radiante transferida entre dos superfi- medidas, la norma general del Codex Alimen­ tarias para alimentos irradiados establece la necesidad de disponer de registros adecuados de dosimetría y de detectores individuales para el personal laboral. El control se ejerce de con­ formidad con el Código Internacional reco­ mendado de prácticas para el funcionamiento de instalaciones de irradiación utilizadas para el tratamiento de alimentos. Bibliografía BRENNAN, J. G.; BUTTER5. J. R.. COWELL, N. D. y LILLY, A E. V. (1980): Las operaciones de la ingeniería de los alimentos. 2.' ed. Acribia. Za­ ragoza. BUFFLER, C. R. (1992): Microwave cooking and Processing. Engineering fundamentáis for (he food stíendst. AVI Book. US,V FAO (1989): La irradiación de los alimentos. Técni­ cas para conservar y prtstjyar le inocuidad de tos alimentos. OMS. Ginebra. FELLOWS. P. (1994): Tecnología del procesado de los alimentos. Principios y prácticas. Acribia. Za­ ragoza. GIESE. J. (1992): “Advinces in Microwave Food Processing". Food Technology, 46 (9): 118-123. REUTER, H. (1993): Aseptic Processing of Foods. Technomic Publishing CO., Inc. Lancaster. SATIN, M. (1996): Food irradiation. A guidebook. Technomic Publishing CO., Inc. Lancaster. cíes depende de los temperaturas, distribuciones geométricas y emisividodes de los mismas, lo radiación infrarroja produce uno cierta vibra­ ción en los enlaces intro- e intermoleculares de los componentes de los alimentos que se traduce en un incremento de lo temperatura. Su ¿opaci­ dad de penetración es escoso, por lo que su efecto se limito a la superficie; el resto del ali­ mento se caliento por conducción o por convec­ RESUMEN ción. La energia infrarroja tiene numerosos apli­ caciones en lo Industria Alimentaria como des­ trucción de enzimas y microorganismos, fusión de grasos, deshidraloción de alimentos, etc. Es­ ta forma de calentamiento permite modificar las características sensoriales de los alimentos y se utiliza en los procesos de horneado o osado, tosrodo y cocción. 3. lo calefacción por microondas (915 MHz para la baja frecuencia y 2.450 MHz pata la alta) es una forma de generar calor derívaca de la dis­ torsión creada en los componente.* de los cli- mentos por la incidencia de un campo eléctrico alterno. Entre las aplicaciones de la energia mi­ croondas se encuentran el atempéralo de carne y pescado, la deshidratación de pasta y aperiti­ vos, el precocinado de beicon, pollo y hambur­ guesas y la pasterización y esterilizcción de dis­ tintos productos. 4. El calentamiento dieléctrico se, define como la calefocción de un material aislante eléctrico por las pérdidas que se producen en é! cuando se le somete a un campo eléctrico alterno (entre 1 y 300 MHz). Se ha empleado en la Industrio Alimentaría como tratamiento posterior a la cocción de bizcochos, en el procesa Final de se­ cado, en la descongelación de alimentos en bloque y en la fusión de chocolate y grasas en general. 5. El calentamiento óhmico te produce cuando una corriente eléctrica pasa a través de un producto conducror de la electricidad. Se recurre al em­ pleo de corriente alterna de baja frecuencia (50- 00 Hz). Puede utilizarse paro la esterilización en continuo de alimentos particulados (compues­ tos por una fase líquida y una fase sólida) y de productos viscosos coma salsas de quesos y pos­ tres lácteos, asi como para el procesado térmico de frotas enteras de pequeño tamaño. ó. El calentamiento por inducción se consigue por lo corriente inducida en un material por un cam­ po magnético alterno. En la Industrio Alimento- ría se utiliza en el tratamiento culinario (cocinas y hornos de inducción). 7. En los tratamientos de irradioción se recurre al empleo de ondas electromagnéticas ionizantes de frecuencia limitoda y de haces de electrones de bajo energía. Como fuentes de irradiación de alimentos se recomiendan los rayos gamma de los radionúdidos MCo o l57Cs, los rayos X ge­ nerados en equipos con una energia igual o in­ ferior a 5 MeV y los electrones generados en aceleradores con una energia igual o inferior a 10 MeV. Lo irradiación de alimentos conlleva el fenómeno de rodiolisis, en el que se distin­ gue un efecto primario (derivado de las ioniza­ ciones y excitaciones que los electrones y las radiaciones gamma producen en los átomos y/o moléculas de la materia con la que interac- cionan) y un efecto secundario (relacionado con la aparición de nuevos iones y radicales li­ bres, que dan lugar a recombinaciones y dtme- rizaciones de las que derivan sustancias aje­ nas a la composición inicial del producto o productos radioliticos). 8. la intensidad de la radiolisis depende de la composición del alimento tratado, de las condi­ ciones de procesado y de la dosis de rodiación absorbida. Se considera que los tratamientos con dosis de radiación iguales o inferiores a 10 kGy na representan ningún peligro para la sa­ lud, asegurándose la inocuidad de los alimentos asi tratados. 9. Las aplicaciones de !a irradiación de alimentos son.muy diversas. Can dosis reducidas, hasta i kGy, se puede inhibir la germinación, retrasar la maduración de frutas y hortalizas y eliminar in- sectas y parásitos. Dosis medios (1-10 kGy) per­ miten reducir el número de microorganismos al­ terantes y patógenos y mejorar algunas propie­ dades tecnológicas. Dosis elevadas, entre 10 y 50 kGy. se utilizan paro descontaminar espe­ cias y ciertos aditivos e ingredientes y en la este­ rilización industrial en combinación con trata­ mientos térmicos suaves. 10 CONSERVACIÓN POR FRÍO En este capítulo se definen los conceptos de refrigeración y congela­ ción y se estudia ei efecto que tienen estas operaciones en los agentes al­ terantes, así como las modificaciones que tienen lugar en los alimentos durante la aplicación de las mismas. También se describen los principales sistemas para la producción industrial de frió y los métodos y equipos más habituales (pie se emplean actualmente en la industria alimentaria. La des­ congelación y los métodos aplicados para llevarla a cabo se tratan en el último epígrafe. 10.1. Introducción El empleo de bajas temperaturas es uno de los métodos mis antiguos para conservar los alimentos. Parece ser que los hombres prehistó­ ricos guardaban la caza entre hielo para consu­ mirla posteriormente, y ya en el siglo vtii a. C., los chinos mantenían el hielo del invierno en cuevas o bajo tierra para emplearlo durante el verano. La producción continua de frío y su aplicación en la industria alimentaria, iniciada en el siglo xix, ha sido precisamente una de las grandes innovaciones de la Tecnología de los Alimentos. Este gran avance permitió el alma- ceñimiento y el transporte de los alimentos pe­ recederos. Hacia 1830 comenzaron a desarro­ llarse algunas máquinas frigoríficas industria­ les, instalándose a finales del siglo XIX en barcos para el transporte de carne congelada desde Argentina, Australia y Nueva Zelanda a Europa, donde se recibía en excelentes condi­ ciones. La disponibilidad de refrigeradores y congeladores a lo largo de toda la cadena ali­ mentaria, incluyendo los hogares, ha mejorado considerablemente la calidad de los productos refrigerados y congelados. El efecto conservador del frío se basa en la inhibición total o parcial de los principales agentes responsables de la alteración de los alimentos: el crecimiento y la actividad de los microorganismos, las actividades metabóli- cas de los tejidos animales y vegetales tras el sacrificio y la recolección, las enzimas y las re­ acciones químicas. La aplicación del frío, en sus dos importantes vertientes -refrigeración y congelación-, permite alargar la vida útil de tos alimentos, ya sean frescos o procesados, durante períodos de tiempo relativamente lar­ gos con una mínima repercusión en sus carac­ terísticas nutritivas y organolépticas. Se am­ plía. por lo tanto, la esfera de utilización de la materia prima, tanto en tiempo como en dis­ tancia geográfica. La aplicación de frío se basa en una de las operaciones unitarias más empleadas en la in­ dustria alimentaria: la transmisión de calor. En este caso, a diferencia de la aplicación de calor, el foco caliente es el alimento del cual el calor pasa a un medio exterior frío. 10.2. Conceptos do refrigeración y congelación Aunque la refrigeración y la congelación se basan en el descenso de la temperatura de los alimentos para prolongar su período de con­ servación, existen grandes diferencias entre ambas. Por refrigeración se entiende la reducción y el mantenimiento de la temperatura de los ali­ mentos por encima de su punto de congela­ ción, siendo las temperaturas más habituales las comprendidas entre 8* y -1 *C. Es decir, la refrigeración implica tan sólo cambios en el ca­ lor sensible del producto. Este descenso de la temperatura ralentiza el crecimiento de los mi­ croorganismos, de las actividades metabólicas de los tejidos animales tras su sacrificio y de los tejidos vegetales tras su recolección, de las re­ acciones químicas y enzimiticas y de la pérdida de humedad. Es importante señalar que, al no ser muy grande el descenso de la temperatura, todos estos fenómenos no se evitan completa­ mente. Es decir, la refrigeración de los alimen­ tos alarga su vida útil durante un período de tiempo limitado (generalmente días o sema­ nas) que depende, entre otros factores, de las características del producto y de la temperatu­ ra de almacenamiento. Esto es, sin embargo, suficiente para que los alimentos muy perece­ deros lleguen a los consumidores o a las indus­ trias de transformación. En cambio, la congelación supone un mayor descenso de la temperatura del alimento, hasta por debajo de su punto de congelación, tenien­ do en cuenta que en la mayoría de los alimen­ tos la congelación se inicia a temperaturas infe­ riores a los 0 *C. Para la conservación a largo plazo, los alimentos se congelan y mantienen habitualmente a -18 *C. La congelación impli­ ca no sólo un cambio en el calor sensible del alimento, sino que también es necesario elimi­ nar ei calor ¡atente asociado al cambio de fase correspondiente a la transformación de una parte del agua líquida en hielo. Este cambio de estado del agua es la principal diferencia entre la refrigeración y la congelación. Como conse­ cuencia de la formación de cristales de hielo, gran parte de! agua se inmoviliza y no está dis­ ponible ni como disolvente ni reactivo y la di­ fusión de las especies químicas está muy limita­ da. De esta forma, se detiene el crecimiento y la actividad de los microorganismos y se reduce notablemente la velocidad de las reacciones químicas y enzimáticas. Es decir, el efecto glo­ bal de la congelación de una parte del agua del alimento es una disminución de ¡a a„ en la fase líquida. Esta reducida aw, junto con las bajas temperaturas empleadas, permite la conserva­ ción durante períodos de tiempo bastante lar­ gos (meses e incluso años). A diferencia de la refrigeración, en la que el metabolismo celular mantiene una cierta actividad, en la congela­ ción se detiene por completo. Por eso en los alimentos vegetales es muy importante que an­ tes de la congelación hayan adquirido un grado de madurez adecuado para su consumo tras la descongelación. El término ultracongelado se aplica a aquellos productos que han sido congelados lo más rápidamente posible a -18 *C y alma­ cenados a una temperatura inferior a -18 °C. En estas condiciones se asegura una calidad óptima. 10.3. Refrigeración y almacenamiento en refrigeración La refrigeración y el almacenamiento en re­ frigeración es uno de los métodos más suaves de conservación. Los alimentos refrigerados generalmente se consideran como frescos y de gran calidad, siendo ésta la razón de su gran aceptación por los consumidores. 10.3.1. Efecto de la refrigeración en la velocidad de las reacciones químicas y enzimáticas y en el crecimiento de los microorganismos La velocidad de las reacciones químicas y enzimáticas disminuye logarítmicamente con la temperatura según describe la ley de Arrise- nius. La refrigeración, por lo tanto, reduce la velocidad de las reacciones químicas y enzimá­ ticas y permite controlar la pérdida de la cali­ dad de los alimentos debida a la actividad fisio- lógica o a otras reacciones químicas: oxidación de iipidos, degradación de pigmentos y vitami­ nas, desnaturalización de proteínas, etc. Para describir el efecto de la temperatura en la velocidad de los procesos químicos a me­ nudo se emplea el coeficiente de temperatura o valor Qw que se define como el cambio que experimenta la velocidad de una reacción al variar 10 °C la temperatura a la que se Ueva a cabo: Veloc. de la reacción a temperatura T 10 Veloc. de reacción a temperatura T-10 °C (10.1) Para la mayoría dé los procesos químicos, el valor Q,0 oscila entre 2 y 3, indicando que por cada 10 "C de descenso de la temperatura, la velocidad de los procesos se reduce a la mitad o a un tercio. La temperatura es uno de los factores am­ bientales más importantes que influyen en el crecimiento y ia actividad metabólica de los microorganismos, puesto que en último térmi­ no dependen de enzimas (figura 10.1). La refri­ geración detiene el crecimiento de los microor­ ganismos termófilos y de muchos mesófilos (entre los que se incluyen la mayoría de los pa­ tógenos de importancia en los alimentos) por­ que tienen una temperatura óptima de creci­ miento superior a las empleadas en este proce­ so. La temperatura mínima de crecimiento de la mayoría de los microorganismos mesófilos es Temperaturas criticas a tas que casan Producción de toxinas en Staphytococ.zus y Ctostridium botutinum tipos A y B Multiplicación de Staphytococcus Multiplicación de CtostricSum botutinum Multiplicación de SaimoneHa Producción de toxinas en Ctostridium botutinum tipo E Riesgo debido a crecimiento y actividad de bacterias causantes de toxiinfecdoras alimentarias Multiplicación de bacterias Multiplicación de levaduras Multiplicación de mohos Reacciones químicas (su velocidad es tan lenta que se considera nula) FIGURA 10.1. Relación entre la temperatura, las reacciones de deterioro y ei crecimiento y la producción de toxinas de algunos microorganismos de interés en-los alimentos. 10 °C. Es decir, no representan un problema serio puesto que durante la refrigeración se emplean temperaturas inferiores a ésa. Los microorganismos psicrotrofos, que tie­ nen una temperatura óptima de crecimiento ea- tre 25 y 35 °C, pueden multiplicarse a S ’C o a temperaturas inferiores. Es decir, éstos son los dominantes y los principales causantes de altera­ ción en los alimentos refrigerados (carnes, pes­ cados, leche, etc.). Entre los géneros má» im­ portantes que cuentan con especies de bacterias psicrotrofas se pueden citar Pseudomonas, Alca- ligenes, Erwinia, Corynthacterium y Flavobacte- rium. La mayoría de las levaduras y mohos tam­ bién son psicrotrofos. Aunque los tiempos de generación de estos microorganismos psicrotro­ fos son relativamente largos, su metabolismo es bastante activo a temperaturas de refrigeración. Es de destacar la producción y actividad de enzi­ mas hidroifticas (como prote asas y lipasas) res­ ponsables de problemas tecnológicos y alteracio­ nes organolépticas en leche, carne y pescado. Habitualmente la proliferación de estos mi­ croorganismos psicrotrofos hace que las caracte­ rísticas organolépticas d:¡ producto ssar. ir.acep- tables antes de que el crecimiento de otros mi­ croorganismos menos psicrotolerantes suponga un riesgo sanitario para el consumidor. De he­ cho, durante muchos años se pensó que los ali­ mentos refrigerados eran seguros desde el punto de vista microbiológico dado que las temperatu­ ras inferiores a 5-7,2 ’C inhibirían el crecimiento de la mayoría de los microorganismos patóge­ nos de interés en los alimentos. Sin embargo, se ha comprobado que algunos microorganismos patógenos son capaces de multiplicarse a tem­ peraturas de refrigeración (3-10 *C): Listeria monocytogenes, Aeromonas hydrophila, Closcri• dium botutinum, Yersinia enterocolitica, Vibrio parahaemolyticus y Plesiomonas shigellcides. Conviene destacar que la temperatura mínima de producción de toxina de CL botutinum tipo E es 33 *C y que Y. enurocotirica y L monocyto- genes pueden sobrevivir y multiplicarse a tem­ peraturas comprendidas entre 0 y 3 *C. Estas bacterias patógenas psicrotrofas pueden de­ sarrollarse incluso en alimentos correctamente refrigerados, si bien lo hacen lentamente y re­ quieren tiempos muy largos para alcanzar re­ cuentos elevados. Es preocupante que puedan llegar a alcanzar niveles de 10* ufe g-1 sin que en el producto se adviertan signos evidentes de al­ teración (por ejemplo, L. monocytogenes). El peligro que pueden suponer estos microorganis­ mos es especialmente importante en aquellos alimentos refrigerados que se almacenan duran­ te largos períodos de tiempo en condiciones que tradicionalmente se consideraban adecuadas y que se ingieren en estado crudo o que antes de su consumo no se calientan suficientemente pa­ ra que tales bacterias sean destruidas. Interesa, por lo tanto, mantener una temperatura de re­ frigeración lo más próxima podbie eQXL 10.3.2. Importando de las características del alimento En los alimentos constituidos por tejidos, que mantienen cierta actividad metabólica tras su sacrificio o recolección, es importante tener en cuenta las peculiaridades de cada producto para realizar la refrigeración de forma adecua­ da (cuadro 10.1). En algunas ocasiones, cuando el descenso de la temperatura es muy acusado o la velocidad de enfriamiento demasiado rápi­ da, se pueden producir ciertas alteraciones. El caso más representativo es el acortamiento por frió de la carne que se caracteriza por un endu­ recimiento y una menor capacidad de reten­ ción de agua. Este acortamiento por frío se produce cuando las canales se enfrían rápida­ mente a 0-5 ’C antes de la resolución del rigor morris (volumen II, capítulo 7). En el pescado, especialmente el de aguas frías, la refrigeración es menos eficaz que en otros productos porque su metabolismo está adaptado a las bajas temperaturas y tienen un elevado contenido en grasas insaturadas. Las reacciones autolíticas y la autooxidación de las grasas son las principales causas de que se de­ teriore con relativa rapidez a temperaturas de refrigeración. Además, en su flora contaminan­ te predominan las especies psicrotrofas. En los tejidos vegetales intactos la respira­ ción aeróbica continúa tras la recolección Esto implica la transformación de carbohidratos y ácidos orgánicos en dióxido de carbono, agua, calor y pequeñas cantidades de compuestos vo­ látiles y otras sustancias. La velocidad de respi­ ración varía mucho de unos vegetales a otros. Aquellos productos que tienen una velocidad de respiración elevada son muy perecederos. La temperatura de refrigeración más adecuada será aquella que permita que se lleve a cabo, aunque muy lentamente, la respiración y que al mismo tiempo impida el progreso de las princi­ pales reacciones que conducen a alteración. En cualquier «aso, pea-determinar ei equipo y el tiempo necesarios para la refrigeración de este tipo de alimentos hay que tener en cuenta el calor generado por esta respiración. Aunque la refrigeración alarga la vida útil de la mayor parte de (os alimentos, algunas fru­ tas y hortalizas procedentes de países tropica­ les y subtropicales sufren alteraciones fisiológi­ CutW O lO .I.C aw dw M eo» do los producto» Ira» su racolooción. socrihdo o producción que dotorminon lo» condiciono» deí olmocenonoenro en retrígerooón. MOOOCTO ñutas y hokiauzas TEJOOS AMMAUS OIVOS Pocha huevos. aAmentos preporodos) Pruando do cubierta protectora nafcral Coraderishcot fisiológicos: Si No No (excepto cóscorc de huevo) • tipo y duración do lo roipirabón Aoróbico duraras todo oa algunos fcutat| AflMfÓbiCfl dlKQAil 24 h. después coso completamente Ninguno • Color generado Moderado 0 untando! Escaso Ninguno * Oofo por ahoración del ooobdooo dórame lo refrigeración D0A0 por frío en algunos producios Acortamiento por (rio on algunos casos No lindando do lo eoCdod *31 rocolocdón, toenfieo 0 producción Algunas busos mojaron Somporolnwntn (maduración). Otras Irmas y las hortalizas ¡radon su altorocián ¡nmodiotomofiio Iras la rocolocdón Alteración (oocoplo lo mejora temporal do les carnes que son madura do s| Alteración Cautos habí dolos do oberadón Mícrobiológicai, fisiológicas, patológico 1 y físicos si---L’-ll_‘--miC/OOtoQQiCtlI Mi»robiológ¡cas químicas y (¡ticas «ven* - í m w m I 197 J). cas cuando se exponen a temperaturas inferio­ res a tas requeridas para su almacenamiento óptimo (sin llegar a su congelación). Se debe a alteraciones metabólicas y de ia integridad y permeabilidad de sus membranas biológicas. Este tipo de alteración se conoce como daño por frío y tiene distintas manifestaciones según el producto: pardeamiento interno y/o externo, picaduras y manchas en la piel o podredumbre e imposibilidad de madurar en las frutas. Este daAo por trío se produce, por ejemplo, en los plátanos almacenados a temperaturas inferio­ res a los 12-13 *C y en ciertas variedades de manzanas por debajo de 1 *G El resto de los alimentos no constituidos por tejidos (huevos, leche, alimentos preparados, etc.) se consideran fisiológicamente inactivos y, aunque susceptibles de alterarse en distinto gra­ do, mantienen durante mis tiempo sus atributos de calidad si se refrigeran a temperaturas próxi­ mas a su congelación. El pan es una excepción ya que la refrigeración acelera notablemente su endurecimiento debido a la retrogradación del almidón (cristalización de la amilopectina). 10.3.3. Factores que hay que controlar durante el almacenamiento en refrigeración Para que la refrigeración sea efectiva es ne­ cesario en primer lugar que la materia prima sea de buena calidad. Además, debe aplicarse inmediatamente tras la recolección, el sacrificio o el procesado de los alimentos. No basta con introducir los alimentos en recintos manteni­ dos a baja temperatura, sino que es fundamen­ tal que la reducción de la temperatura del ali­ mento sea rápida. Sólo así disminuye la posibi­ lidad de que el alimento se altere antes de alcanzar la temperatura adecuada. Junto con la velocidad del enfriamiento es necesario contro­ lar (os siguientes factores: A) Temperatura Cada alimento tiene una temperatura de re­ frigeración óptima. En general los tejidos anima­ les, la leche y los huevos han de almacenante a temperaturas bajas (-1 a 1 *Q. Las frutas y hor­ talizas tienen un rango de temperatura de alma­ cenamiento mucho más amplio, dependiendo de la especie y la variedad (cuadro 103). La tempe­ ratura debe mantenerse estable durante todo el almacenamiento y extenderse al transporte, co­ mercialización e incluso al hogar antes de su uso final. En todo caso, la oscilación de esta variable no superará en ±1 “C el valor recomendado. B) Humedad relativa Si durante el almacenamiento la humedad relativa es demasiado elevada, la condensación de agua en las superficies frías de los alimentos puede favorecer el crecimiento de microorga­ nismos y la aparición de hendiduras anormales en algunas frutas. Pero si es demasiado baja, el producto pierde humedad alterándose su as­ pecto y reduciéndose su peso, con las consi­ guientes pérdidas económicas. Al igual que con la temperatura, cada producto tiene una hume­ dad relativa óptima de almacenamiento, que no debe oscilar más de un 3-5%. En general suele mantenerse entre el 80 y el 95%, aunque existen algunas excepciones como los quesos y los jamones curados que requieren humedades relativas comprendidas entre 65-70% y 50- 60%, respectivamente (cuadro 10.2). El enva­ sado de los productos reduce las pérdidas de humedad, aunque al mismo tiempo dificulta el enfriamiento al suponer un obstáculo adicional a la transmisión de calor. CuADtO 10.2. Condicional recomendodo» poro «I olmocencmianto en refrigeración da vario* producto*. lampa rotura Humedad relativo . . . . . . Color da raipirocÜn CQ (X) VWaU" |VJ Itgr1 día*1) Coma da voco -2 o l . l 88-92 14 temónos Coma da cordato -2 o 1,1 83-90 5-12 dio* Coma da cardo -2 o 1,1 83-90 3-12 dio* Jamona* curado* 13 a 18 3060 0-3 tomona* Ave* -2 a 0 83-90 1 «emana Petcodo freico 0,3 a 4.4 90-95 5-20 dio* Pateado ohumodo 4.4 a 10 5040 6-8 mate* Quaio 1.7 65-70 Huevo* (con có*caro| -1 .7 o 0.6 85-90 8-9 metei Cebolla* 0 70-73 6-8 mata* 1,00 Coliflor 0 90-93 2-3 tamaño* 4.48 Eipórrago* 0 90-93 3-4 lemonot 11,09 lbm otai verde* 13 o 21 8043 3-5 lemam» 7.20 tomata* moduro» 4,4 o 10 85-90 7-10 dio* 4.31 Freioi -0 ,6 a 0 85-90 7-10 dio* 5.44 Manzanal -1 .1 a -0 ,6 85-90 14 mete* 1,88 Manzanal envarada* con 2-3% CO, y 2 -3 X 0 , -1 95 6-7 mete* Narania* - l . l a l . l 85-90 8-10 lema na* 1.67 Pido verde 10o 16 85-90 3-4 tomona» Pida madura 4.4 o 7.2 85-90 2-4 ramono* Plátano* 11,7o 15,6 8645 1-3 tomona* M iel > 10 1 oda Económicamente no es posible mantener las condiciones óptimas de temperatura y hu­ medad relativa para cada producto durante el transporte y el almacenamiento temporal en refrigeración. Habitualmente se llega a un compromiso disponiendo dos ambientes con distintas condiciones: uno a 0 *C y 90% de hu­ medad relativa, para huevos, leche, tejidos ani­ males y frutas y hortalizas no susceptibles a da­ ño por frío, y otro a 10 “C y 85-90% de hume­ dad relativa, para todas aquellas frutas y hortalizas que pueden sufrir daño por frío. C) Purificación y circulación del aire El aire debe circular de una forma adecuada para mantener una temperatura y composición uniformes en la atmósfera del recinto, para el rápido enfriamiento de los productos recién in­ troducidos, así como para facilitar la purifica­ ción del aire cuando séá necesario. H ay qué controlar el flujo del aire, evitando que sea ex­ cesivo y favorezca la deshidratación de los ali­ mentos. Cuando se almacenan distintos tipos de alimentos en el mismo recinto en algunos casos es necesario purificar el aire para elimi­ nar compuestos aromáticos derivados de algu­ nos alimentos que podrían ser adsorbidos por otros. Por ejemplo, la leche y (a mantequilla pueden incorporar el aroma del pescado y las frutas y los huevos el de las cebollas. D)Lut Como regla general el recinto de almacena­ miento ha de mantenerse a oscuras. En ocasio­ nes se emplean lámparas de luz ultravioleta pa­ ra reducir el crecimiento superficial de mohos y bacterias. Sin embargo, su utilización requie­ re cierta precaución ya que la luz ultravioleta también cataliza reacciones oxidativas que pueden acelerar la aparición de coloraciones y sabores anómalos. E) Composición de la aunósfera El efecto conservador de la refrigeración puede potenciarse si se combina con el adecua­ do control de la composición de gases de la at­ mósfera de almacenamiento (capítulo 11). 10.3.4. Características délos alimentos refrigerados La refrigeración permite conservar el valor nutritivo del alimento sin grandes modificacio­ nes, puesto que se frenan las reacciones quí­ micas. En algunas hortalizas, sin embargo, se han detectado pérdidas de algunas vitaminas incluso durante cortos periodos de tiempo. Las características organolépticas tampoco se modifican en gran medida; únicamente cabría mencionar (junto con las ya señaladas) un cierto endurecimiento por la solidificación de grasas y aceites. No hay que olvidar que la refrigeración no destruye los microorganismos presentes en los alimentos o en la materia prima. Por lo tanto, los alimentos refrigerados han de procesarse o consumirse en un breve período de tiempo cuando se mantienen a temperaturas de refri­ geración relativamente elevadas (por ejemplo, 8-10 0C) ya que, en estas condiciones, se acele­ ra ei crecimiento de los microorganismos pre­ sentes en ellos y las reacciones químicas y enzi­ máticas. El contacto de la superficie fría de los alimentos con aire a mayor temperatura provo­ ca la consiguiente condensación de agua sobre los primeros, favoreciéndose los fenómenos anteriormente mencionados. 10.3.5. Otras aplicaciones de la refrigeración Además de como único método de conser­ vación para algunos alimentos frescos o proce­ sados, en la industria alimentaria la refrigera­ ción se emplea frecuentemente como método de conservación temporal hasta la aplicación de otros tratamientos (pasterización, esteriliza­ ción, deshidratación, etc.). De interés creciente es el empleo de ta refri­ geración para la conservación de platos prepa­ rados y de productos cocinados a vacio (sous vide) (capítulo 12), cada día más empleados en la restauración colectiva por su mayor calidad. Estos productos se refrigeran inmediatamente tras su cocinado y se almacenan entre 0 y 3 °C, conservándose durante unos 5 días. Si se enva­ san a vacío y pasterizan, su vida útil se prolon­ ga hasta 2 o 3 semanas. En otras ocasiones la refrigeración tiene otros fines, distintos de la conservación, por su capacidad para controlar reacciones químicas y enzimáticas y el crecimiento y metabolismo de algunos microorganismos deseables. Éste es el caso de la cristalización del azúcar durante su purificación, la eliminación de las ceras presen­ tes en los aceites comestibles por precipitación, el control de la maduración de productos fer­ mentados como los embutidos, el queso y el vi­ no o el facilitar otras operaciones como mo la temperatura a la que un diminuto cristal de hielo coexiste en equilibrio con la fase líqui­ da. La temperatura de fusión del hielo puro es 0 *C. En cambio, no comienzan a formarse cristales de hielo cuando la temperatura del agua alcanza esta temperatura. La nucleación es un fenómeno difícil, porque las moléculas de agua en estado líquido no se asocian fácilmente entre ellas para formar un sólido. Para que ocurra esto es necesario que la temperatura sea inferior al punto al que se inicia la congelación. Es probable que durante este sobreenfriamien­ to se formen agregados cristalinos de tamaño diminuto y de carácter inestable que no llegan a alcanzar un tamaño crítico. Existen dos tipos de nucleación. La nuclea- ción homogénea es la que tiene lugar en solu­ ciones puras y, por lo tanto, es de poco interés en los alimentos. En la nucleación heterogénea los núcleos se forman sobre panículas extrañas suspendidas, sólidos insolubles, superficies de películas o paredes de envases, y es de mayor importancia en los alimentos y estructuras vi­ vas. Estos agentes facilitan la organización de las moléculas de agua para formar núcleos es­ tables. El impacto mecánico y las variaciones locales de solutos también contribuyen a la nu­ cleación heterogénea. La nucleación comenzará cuando la tem­ peratura alcance un valor crítico (¿V) caracterís­ tico de cada muestra. Como se aprecia en la fi­ gura 10.2, al disminuir la temperatura aumenta rápidamente la velocidad de formación de nú­ cleos. Es decir, cuanto más rápida sea la veloci­ dad a la que se elimina el calor del alimento, mayor será el número de núcleos formados. B) Crecimiento de los cristales En esta etapa tiene lugar la adición organi­ zada de moléculas de agua a los núcleos forma­ dos, que así aumentan de tamaño. El creci­ miento de los cristales de hielo depende de la difusión y orientación de moléculas de agua en la superficie del núcleo. El número de molécu- FIGURA 10.2. Influencia de! sobreenfriamiento ini­ cial y de la velocidad de enfriamiento en la nudeo- ción y ei crecimiento de los cristales de hielo. Fuen­ te: Fennemo (1975b). las de agua que se unen al núcleo ha de ser ma­ yor que el que se alejan de él. A diferencia de la nucleación, el crecimiento de los cristales puede tener lugar a temperaturas muy cercanas al punto de fusión. De hecho, las moléculas de agua tienen mayor tendencia a migrar y aso­ ciarse con núcleos ya existentes que a formar nuevos núcleos. La velocidad de crecimiento de los cristales también depende de la veloci­ dad de enfriamiento, aunque el efecto es más moderado que lo observado para la nucleación (figura 10.2). A temperaturas muy bajas (alre­ dedor de los -80 °C), la velocidad de creci­ miento de los cristales de hielo llega a reducir­ se por la elevada viscosidad del medio a esas bajas temperaturas, limitando el movimiento de las moléculas de agua a los cristales. La pre­ sencia en los alimentos de diversos solutos y es­ tructuras puede dificultar el crecimiento de los cristales de hielo en el mismo sentido. Si se comparan las velocidades de nu­ cleación y de crecimiento de los cristales en función de la velocidad de enfriamiento se de­ duce que es posible regular el tamaño de los — 50 Temperatura (*C) Nucte ación Crecimiento de los cristales cristales de hielo controlando la velocidad de transferencia de calor (figura 10.2). Cuando és­ ta es muy rápida, la velocidad de nucleación aumenta notablemente dando lugar a la forma­ ción de muchos núcleos; pero no ocutre así con la velocidad de crecimiento de los cristales, por lo que éstos serán de pequeño tamaño. Sin em­ bargo, en muestras que se congelan lentamente (cuando la temperatura del alimento se man­ tiene entre 0 "C y N) ocurrirá lo contrario, for­ mándose pocos núcleos y siendo los cristales resultantes relativamente grandes. También parecen existir diferencias en cuan­ to a la forma de los cristales según la velocidad de enfriamiento: si es lenta los cristales tienen forma alargada (como una aguja), mientras que si es rápida éstos tienen formas más redon­ deadas. El número, el tamaño y la forma de los cris­ tales puede variar incluso de una zona a otra del alimento, especialmente en los productos sólidos o de gran viscosidad. En las partes peri­ féricas que están en contacto con el medio de enfriamiento, donde ia temperatura disminuye rápidamente, se formará un mayor número de cristales y de menor tamaño que en las zonas más profundas, en las que la transferencia de calor ocurre más lentamente. Esto es impor­ tante porque el número, tamaño y forma de los cristales influye notablemente en la calidad de los productos congelados, como se verá más adelante. 10.4.2. Curvos de congelación La disminución de la temperatura durante la congelación se puede considerar dividida en tres etapas. La primera etapa consiste en el en­ friamiento del producto hasta la temperatura en que se inicia su congelación (eliminación de calor sensible). En la segunda etapa se produce la cristalización de la mayor parte del agua pre­ sente en el alimento (sustracción del calor latente correspondiente a la formación de cris­ tales de hielo). Esta etapa es precisamente la de mayor requerimiento energético, por el ele­ vado calor latente de fusión del agua (335 kJ kg'1, a 0 *C y presión atmosférica). En la terce­ ra etapa tiene lugar la posterior reducción de la temperatura del producto congelado hasta la temperatura final deseada (h?y que eliminar de nuevo calor sensible). El registro de la temperatura durante la con­ gelación lenta de una muestra de agua permite obtener una curva como la mostrada en la figu­ ra 10.3.a. La temperatura del agua ha de des­ cender por debajo de los 0 °C para que se inicie la nucleación (sobreenfriamiento, punto S). En el momento en que los núcleos adquieren un ta­ maño critico y comienzan a formarse los prime­ ros cristales de hielo, la velocidad con que se li­ bera el calor latente debido a la cristalización es mayor que la velocidad a la que se elimina este calor de la muestra y la temperatura se eleva a 0 *C (temperatura de equilibrio de congelación del agua pura; punto B). La mezcla de agua y hielo se mantiene a esa temperatura mientras se está produciendo el cambio de estado (seg­ mento BC). Sólo cuando se ha completado la transformación del agua líquida en hielo, des­ ciende la temperatura hasta aproximarse a la del medio de enfriamiento (segmento CD). Ca­ be destacar que al ser el calor específico del hie­ lo menor que el del agua, el descenso de la tem­ peratura del hielo es ahora mucho más rápido que en el agua antes de su congelación. La curva de congelación de una disolución diluida de un compuesto (sacarosa en este ejemplo) es ligeramente distinta, como puede observarse en la figura 103.b. En primer lugar el sobreenfriamiento (descenso de la tempera­ tura con respecto al punto de fusión) no es tan acusado como en el agua pura, al predominar los mecanismos de nucleación heterogénea. La temperatura se eleva al liberarse el calor laten­ te de fusión durante la formación de hielo. En segundo lugar, la temperatura a la que comien­ za la congelación de la solución (B‘) es inferior que para el agua pura, por la depresión del punto de congelación (tey del descenso crioscó­ pico de Raoult). Este descenso del punta de FlCURA 10.3, Curvos de congelcción de: c¡ a gu a pura y b) uno solución diluida de sacarosa. congelación depende de la concentración de solutos en solución. La formación de cristales de hielo tiene como consecuencia inmediata el aumento-de la concentración del soluto en la fracción líquida restante y la consiguiente dis­ minución de su punto de congelación. Ésta es la razón por la cual el segmento B’C' tiene una ligera pendiente negativa. Durante esta etapa se forma la mayor cantidad de cristales de hielo en la solución, siendo oportuno destacar que se trata de cristales de nielo puro. No es correcto, por lo tanto, hablar de la temperatura de con­ gelación ile una solución, sino de la temperatu­ ra de inicio de la congelación para indicar que se trata del punto de fusión o congelación de la solución antes de que éste se modifique por la crioconcentración. Cuando la concentración del soluto alcanza la saturación (punto eutéctico), éste comienza a cristalizar a la misma velocidad que el agua, li­ berando a su vez el calor latente correspondien­ te al cambio de estado. A partir de ese punto (D1), en la mezcla eutéctica cristalizarán con- juntamenti el agua y la sacarosa (segmento D’E’), sin que se modifique la concentración de sacarosa en la disolución. Una vez finalizada la cristalización, a temperatura constante, conti­ núa descendiendo la temperatura del sólido congelado (segmento E’F’). El descenso del punto de congelación por la presencia de un soluto y las condiciones en las que se forman las mezclas eutécticas se mues­ tran, para una solución diluida de sacarosa, en el diagrama de fases representado en la figura 10.4. La línea aE es la curva de congelación de las disoluciones de sacarosa en agua, es decir, los puntos en los que la disolución está en equi­ librio con cristales de hielo, y la línea bE es la curva de solubilidad de la sacarosa o los puntos en los que la disolución está en equilibrio con cristales de sacarosa. Estas dos líneas se encuen­ tran en el punto E (punto eutéctico) en el que hay en equilibrio sacarosa en disolución, crista­ les de hielo y cristales de sacarosa. El punto eu­ téctico es un punto invariable y característico de cada compuesto, siendo en este ejemplo una concentración de sacarosa de 562.% a -9,5 °C, condiciones en las que comenzarán a for­ marse simultáneamente cristales de hielo y de sacarosa.'La depresión del punto de congela­ ción del agua por diversos compuestos tam- bién es útil para la selección de mezclas refri­ gerantes. Por ejemplo, para el cloruro sódico la mezcla eutéctica a -21 °C contiene un 23% de NaG. Este hielo eutéctico tendrá un punto F igura 10.4. Diagrama de (atas de una mezcla binaria (sacarosaagua). de fusión de -21 ®C y mejores propiedades re­ frigerantes que ei hielo formado a partir de agua pura y, de ¿echo, ¿e emplea comercial- mente por esa razón. En los alimentos con una gran cantidad de compuestos en solución, las curvas de congela- Cu*0*O 10 4. Temoeralura a la que >« Inicio la congelación •n diversos alimentos. Tipo de alimento Contenido de agua w Temperatura de ¡nido de la congelación PCI Hortolizai 78-92 -0 ,8 o -2 ,8 Fruta» 87-95 -0 ,9 a -2 7 Come 55-70 -1 ,7 a -2 ,2 Pescado 65-81 -0 ,0 a -2 ,0 leche 87 -0.5 Huevo 74 -0,5 Aitiue: Falo». (1994). ción son mucho más complejas. El sobreenfria­ miento no suele superar ios 10 ®C, aunque en muchas ocasiones no es aparente. La tempera­ tura de inicio de la congelación dependerá de la composición del alimento (cuadro 10.4). Du­ rante el proceso no se formará una única mez­ cla eutéctica sino muchas, siendo tal la comple­ jidad que suele ser difícil apreciar los puntos de inflexión ds las distintas mezclas eutócticas (fi­ nal del segmento BC y segmento CD en la fi­ gura 10.5). Las curvas de congelación de di­ versos alimentos de origen animal y vegetal FIGURA 10.5. Curva de congelación de un fílete de carne, indicando el porcentaje de agua no congelada. 5, lobreenfriamiealo. Fuente: Adaptado de Potfer (I98ó). son similares y dependientes de la velocidad de congelación (figura 10.6). FIGURA 10.6. Evolución da lo temperatura durante la congelación de un alimento con enfriamiento len­ to |a], rápido (b) y muy rápido (c). Fuente: Fenne- ma [1975]. La congelación de un alimento se considera­ rá completa cuando su temperatura alcance la de la mezcla eutéctica más baja (temperatura de fin de la congelación). Sin embargo, esto rara vez se consigue durante la congelación de los alimentos, y ni siquiera es su objetivo, porque requeriría el descenso de la temperatura a valo­ res muy bajos (por ejemplo, en el pescado serí­ an -55 aC) e implicaría costes muy elevados. Es importante resaltar que a las temperaturas de congelación habituales en la industria alimenta­ ría siempre existe una proporción del agua del alimento que permanece sin congelar (figura 10.5). El porcentaje de agua no congelada de­ pende de la composición del alimento y de la temperatura de congelación (figura 10.7). 10.4.3. Modificaciones que se producen en los alimentos durante su congelación. Efecto sobre las reacciones químicas y enámóticas A) Daño por los cristales de hielo Aunque la congelación es uno de los méto­ dos más suaves de conservación, la formación FIGURA 10.7. Vorioción del porcentaje de agua congelada en varios alimentos en función de la temperatura. Datos lomados de fennema [1975]. de cristales de hielo siempre afecta en cierto grado a las características de los alimentos con­ gelados. De hecho, es ¿su la principál causa de la disminución de la calidad de los productos congelados. La magnitud de este daño apande en gran medida de la velocidad de congelación y de las características del producto. Como se muestra en la figura 10.8, los ali­ mentos que derivan de tejidos (carne, pescado, fruta, etc.), y tienen estructuras con paredes y membranas celulares, son los que pueden ser más afectados por la formación de cristales de hielo. Los cambios dependen de la localización de los cristales de hielo, ia cual está determina­ da por la velocidad de congelación y la perme­ abilidad del tejido. En los tejidos vegetales, cuando la temperatura disminuye lenumente, los cristales de hielo comienzan a formarse en el exterior de las células porque el punto de congelación del fluido extracelular es mayor que el del fluido intraceluiar (que tiene más so­ lutos en solución). Al aumentar el tamaño de es: os cristales extracelular es, los solutos disuel­ tos en el fluido extracelular se concentran y promueven la salida por ósmbsis del agua in­ traceluiar. Los cristales extracelulares conti­ núan creciendo, lesionando las membranas y provocando una intensa deshidratación de las células. El aumento de la concentración intra­ celuiar de solutos, consecuencia de la deshidra­ tación celular, reduce aún más el punto de con­ gelación y. por lo tanto, (a probabilidad de que se inicie la cristalización en el interior de las cé­ lulas. La deshidratación llega a ser irreversible cuando sobrepasa un cieno nivel, y durante la descongelación las células no van a recuperar Producto congelado Producto uttracongelado -t8*C -18 *C FiGutA 10.8. Formación y localización de los cristales de hielo en los tejidos durante la congelación rápida y lenta y modificaciones que se producen durante lo descongelación. el nivel, de hidratación original sino que parte de su contenido, que ahora se encuentra en el exterior de la célula, se va a perder {pérdidas por goteo). El volumen de las células disminu­ ye considerablemente, al mismo tiempo que se producá su separación, modificando gravemen­ te la textura y la turgencia del producto. La es­ tructura de los tejidos animales generalmente se altera menos que la de los vegetales porque las fibras son más flexibles y, aunque se sepa­ ran, no llegan a romperse. En ctmbio, cuando la velocidad de congela­ ción es rápida los cristales de hielo se forman prácticamente ai mismo tiempo ea el interior y en el exterior de las células (figura 10.8). El desplazamiento de agua, si existe, es mínimo. Además, según se describió en el apartado 10.4.1, los cristales serán de pequeño tamaño y muy numerosos, por lo que la estructura de los tejidos apenas se modifica. Sin embargo, con­ viene recordar que la cristalización intracelular, incluso aunque los cristales formados sean de pequeño tamaño, provoca siempre un cierto grado de destrucción de la organización celu­ lar. Esto es más probable en tejidos que tienen poca permeabilidad, en los que el agua perma­ nece en el interior de las células y se sobreen- fría lo suficiente para que se formen cristales de hielo. Si la permeabilidad es alta, las células experimentan un cierto grado de deshidrata­ ción, independientemente de la velocidad de enfriamiento. En los alimentos que tienen cierta estructu­ ra u organización (por ejemplo, emulsiones, geles o espumas), la formación de cristales de gran tamaño durante la congelación lenta tam­ bién ocasiona modificaciones en el mismo sen­ tido. Así, por ejemplo, la ruptura de la emul­ sión por estos cristales de hielo en la mantequi­ lla tiene como consecuencia la formación de bolsas de grasa, y la de la espuma en los hela­ dos una disminución de su volumen. Para evitar los problemas derivados de la formación de cristales de hielo y la deshidrata­ ción celular durante la congelación de los ali­ mentos es frecuente el empleo de crioprotecto- res. Se trata de compuestos con diversa compo­ sición química que tienen en común una gran afinidad por ei agua (glicerol, sorbitol, mono- sacáridos, sales, proteínas, etc.). Estos com­ puestos son capaces de inmovilizar el agua < impedir su cristalización. Cuando los criopro- tectores pasan al interior de la célula evitan, además, ia deshidratación celular. Se ha indica­ do que estos agentes crioprotectores son útiles cuando la velocidad de congelación es lenta, pero que su empleo puede ser perjudicial du­ rante la congelación rápida porque sirven co­ mo núcleos para la cristalización intracelular. En este punto conviene mencionar que una tecnología que está despertando bastante interés en la industria alimentaria es el sobreenfriamien­ to (superchill system). El fundamento es el man­ tenimiento de los alimentos en el rango de tem­ peratura entre 0 “C y el punto en que comienzan a formarse los cristales de hielo (por ejemplo, -1,7 “C en la carne de vacuno y -2 °C en el pes­ cado). Estas temperaturas son lo suficientemen­ te bajas para impedir o retrasar notablemente el crecimiento de los microorganismos y tas reac­ ciones químicas y enzimáticas, pero no provoca daño celular por la ausencia de cristales de hielo. Es decir, la vida útil de los alimentos así conser­ vados es mayor que con las condiciones habitua­ les de refrigeración, pero el coste del proceso y la modificación provocada en los productos son menores que cuando se aplica ia congelación. Además del daño directo causado por los cristales de hielo, durante la congelación tienen lugar varios fenómenos asociados a la forma­ ción de estos cristales de hielo que también re­ percuten en la calidad de tos alimentos conge­ lados: el aumento de la concentración de solu­ tos en solución y las variaciones en el volumen de los alimentos congelados. B) Aumento de la concentración de solutos en solución La formación de cristales de hielo puro co­ mo consecuencia del enfriamiento inmoviliza una cierta cantidad del agua del aumento. A i mismo tiempo, la concentración de los distin­ tos solutos presentes en la fracción de agua no congelada aumenta considerablemente. Una de las consecuencias más inmediatas es la ace­ leración de las reacciones químicas en esa fracción de agua no congelada, especialmenre en el intervalo entre -5 y -15 #C. En este ran­ go de temperaturas no se cumple totalmente la ecuación de Arrhenius, es deciT, la veloci­ dad de las reacciones no disminuye tanto co­ mo se podría esperar por efecto de tas bajas temperaturas. La concentración de solutos produce el efecto contrario: la velocidad de las reacciones también aumenta de forma propor­ cional, por la ley de acción de masas. Es decir, la congelación puede tener dos efectos opues­ tos sobre la velocidad de las reacciones: la dis­ minución de la temperatura siempre ocasiona­ rá la reducción de la velocidad de las reaccio­ nes y la concentración de solutos puede, en algunos casos, acelerarlas (como ocurre con las reacciones de oxidación, hidrólisis o desna­ turalización proteica). Es importante seóalar que este fenóm eno es especialmente grave cuando la velocidad de la congelación es lenta, porque el alimento se mantiene en este pro­ blem ático rango de temperaturas (zona crí­ tica) durante un tiempo relativamente grande (figura 10.6). El efecto de la reducción de la temperatura sobre las reacciones enzimáticas es menos mar­ cado que en las reacciones químicas porque la energía de activación es mucho menor. A de­ más, hay que tener en cuenta que. a diferencia de algunos tratamientos térmicos, la congela­ ción no inactiva las enzimas irreversiblemente. El efecto de la congelación en las reacciones enzimáticas es variable y depende de lar caísc. terísticas de cada enzima. Éstas pueden ser inactivadas o activadas, parcial y transitoria­ mente, como consecuencia de la alteración del medio en el que se desarrolla su actividad (me­ nor cantidad de agua disponible, desviación del pH, aumento de la concentración de solutos, activadores e inhibidores, etc.) y del estado de la enzima (alteraciones de su estructura). Aun­ que no es posible indicar unas pautas generales sobre el comportamiento de las enzimas en los alimentos congelados, cabe destacar que pue­ den detectarse reacciones enzimáticas a tem­ peraturas bastarte reducidas, a las que no tie­ nen lugar ya cambios químicos. En vegetales, las catalasas, peroxidasas y proteasas conser­ van actividad hasta -15 o -17 aC, las lipasas hasta -25 o -30 ’C y la invertasa incluso a -40 *C. Además, si las membranas de los orgánulos celulares (como las mitocondrias o los lisoso- mas) resultan dtñadas durante la congelación, la liberación de las enzimas en ellos contenidas y el contacto cor. sus sustratos, de los que antes estaban separados físicamente, puede favore­ cer el inicio de algunas reacciones enzimáticas (por ejemplo, enzimas hidrollticas lisosomales o polifenotoxidasas en vegetales). Otra de las consecuencias derivadas del aumento de la concentración de los distintos solutos es la modificación de tas características de la fracción nc> congelada: pH, fuerza iónica, viscosidad, propiedades coligativas, presión os­ mótica, potencial redox, etc. El efecto de estos cambios dependerá en gran medida de su mag­ nitud y de la influencia específica que tengan sobre los distintos componentes de los alimen­ tos. A modo de ejemplo pueden citarse la coa­ gulación de las proteínas al disminuir el pH del medio o su precipitación al aumentar la fuerza iónica, el aumento de la viscosidad por concen­ tración de coloides, la precipitación de sales y azúcares y la desestabilización de las emulsio­ nes. Estos efectos también están limitados cuando la congelación es rápida. La modifica­ ción de las propiedades funcionales de algunos componentes de los alimentos se pueden limi- aaT^eoedcaace el emplee, de .crioprotectores, aunque su mecanismo de acción no está com­ pletamente esclarecido. Por ejemplo, durante la elaboración del surími la adición de sorbito! o sacarosa y poiifosfatos contribuye a la estabi­ lización de (as proteínas miofibrilares impi­ diendo su deshidratación y, por lo tanto, su desnaturalización. C) Variaciones en el volumen La transformación del agua líquida en hielo supone un aumento de su volumen de un 9%, aunque si el hielo continúa enfriándose se con­ trae ligeramente. En consecuencia, todos los alimentos se expanden al congelarse, aunque no tanto como el hielo puro. El aumento de vo­ lumen dependerá principalmente de su conte­ nido en agua y, al tratarse de cristales de hielo puro, se corresponderá con el 9% de la frac­ ción de agua que se congela. Por el contrario, los típidos se contraen durante la congelación. Estas variaciones de volumen dan lugar a tensiones internas en los alimentos que provo­ can daños en las estructuras celulares e incluso desgarraduras, especialmente si los cambios de volumen no son homogéneos. El daño mecánico derivado del cambio del volumen afecta en mayor medida a las frutas y hortalizas, ya que estos productos tienen pare­ des celulares rígidas y las células no están ali­ neadas. Cuando la velocidad de congelación es rápida, el daño es mayor. Ésta es la razón por la cual es frecuente observar en los alimentos vegetales congelados rupturas celulares, sepa­ ración de células y una textura anómala. Las variaciones en el volumen son menores cuando existen vacuolas de aire, que se pueden com­ primir e incluso expulsar el aire durante la con­ gelación, absorbiendo el aumento de volumen del hielo formado. En el músculo, la textura re­ sulta menos afectada porque las fibras son lar­ gas, estrechas, más elásticas y están dispuestas paralelamente, siendo más probable que se se­ paren sin romperse. 10.4.4. Efecto de la congelación en los microorganismos La congelación y el almacenamiento en congelación a -18 °C no destruyen totalmente los microorganismos presentes en los alimen­ tos, aunque éstos sufran cierto daño por el choque térmico, el crecimiento de cristales de hielo incraceiulares y el aumento de concen­ tración de los solutos en la fracción no conge­ lada. El efecto dependerá de la rapidez con que se realice la congelación, del medio en el que se encuentren las bacterias y de la fase de crecimiento (en fase estacionaria la supervi­ vencia es mayor). La velocidad de congelación tiene las mismas consecuencias en las bacterias que las indicadas anteriormente para los teji­ dos, en cuanto al daño por los cristales de hie­ lo y la deshidratación. No todos los microorganismos tienen la mis­ ma sensibilidad a la congelación, dependiendo la tolerancia de la actividad de sus sistemas en- zimáticos y de la composición lipídica de su membrana (fluidez) a bajas temperaturas. Las esporas de bacterias y mohos son muy resis­ tentes y, entre las células vegetativas, las bacte­ rias Gram positivas, especialmente los cocos Gram positivos, son más resistentes que las Gram negativas. Durante el almacenamiento en congelación las bacterias Gram negativas suelen perder viabilidad progresivamente, aun­ que algunas de éstas (por ejemplo, Salmonella en aves) y la mayoría de las Gram positivas apenas se ven afectadas. Generalmente la ma­ yor tasa de destrucción bacteriana se observa inmediatamente tras la congelación, después se reduce notablemente y llega a estabilizarse du­ rante largos períodos de tiempo. Por esto, aun­ que el número de supervivientes disminuya, la congelación es también un método efectivo pa­ ra mantener la viabilidad de las bacterias. Cuanto menor sea la temperatura de almace­ namiento, mayor será la supervivencia de las bacterias. Las toxinas no se ven afectadas por la congelación, en caso de haberse producido en el alimento con anterioridad. Los alimentos congelados no son un buen sustrato para el crecimiento microbiano por las bajas temperaturas, su reducida aw (cuadro 10.5) y la modificación de las características de la fracción no congelada. La mayoría de las bacterias no se multiplican a temperaturas infe­ riores a -8 ®C, las levaduras a -10 “C y los mo­ hos a -12 °C (en concordancia con su resisten- C uO tO 10.5. Proiión d t vapor dal aguo líquida |p j y do! Hiato o da alunan!» qua conlangon hiato (p j y am o prairón da vapor rataliva a dtvanot lamparalurai. P. P. W pJliunpafolura agua liquida hiato PCI Pal Pal 0 611 611 1,00 -5 421 402 0,95 -1 0 287 260 0,91 -1 5 191 165 0.86 -2 0 125 103 0,82 -2 5 80,7 63 0,78 -3 0 50.9 38 0.75 -4 0 18.9 13 0.68 -5 0 6.4 3,9 0,62 cia a aw reducidas). Algunos autores consideran que es necesario una temperatura de -18 °C pa­ ra el cese total de la multiplicación de microor­ ganismos (figura 10.1). Es conveniente señalar que aunque a valores muy extremos de tem­ peratura el crecimiento de los microorganis­ mos está muy limitado, su actividad metabólica puede ser significativa. Por ejemplo, se ha de­ tectado actividad lipásica en algunas cepas de Pseudomonas fragi incluso después de 21 dias a -29 °C. Los parásitos responsables de infestación en la carne (protozoos, cestodos y nematodos) son mucho más sensibles a los efectos letales de la congelación que los microorganismos. La ma­ yoría se destruyen a -5 o -10 *C al cabo de unos 10 días, en ausencia de compuestos protectores en el alimento. Las larvas de Trichinella spiralis mueren si la temperatura se mantiene a -15 #C durante al menos 30 dias. Este período se acor­ ta sensiblemente si la temperatura de almace­ namiento es menor (por ejemplo, -25 9C duran­ te 20 días o -30 °C durante 12 dias). La posibilidad de mantener la viabilidad de las bacterias con un adecuado control de la congelación hace que se emplee como método de conservación de los cultivos bacterianos pa­ ra la elaboración de productos fermentados. Para conseguir la mínima destrucción de las bacterias interesa que la cristalización sea ex- «sacelular y que las bacterias se deshidraten parcialmente impidiéndose la nudeación intra- celular, pero no lo suficiente como para que se reduzca su viabilidad. En los medios suelen in­ cluirse, además, agentes crioprotectores (glice- rol, clara de huevo, leche, etc.). 10.4.5. Modificación de los alimentos dorante su almacenamiento en congelación A pesar de que las bajas temperaturas redu­ cen notablemente la velocidad de las reacciones químicas y enzimáticas, hay que tener en cuenta que en los alimentos congelados a -18 °C no to­ do el agua del alimento está congelada (aunque la aw sea baja), las enzimas no se han inactivado completamente y los solutos presentes en esa fase acuosa no congelada están mu ISOMÁSICA POR CONTACTO rCR PRESIÓN O Figura 10.9. Principóles formas de recristalización durante el almacenamiento de los alimentos congelados. 1. Recristalización isomásica Los cristales de forma irregular y coa una relación su­ perficie/volumen elevada tienden a asu­ mir una estructura más compacta con una menor relación superficie/volumen, que es más estable. 2. Recristalización migratoria o crecimiento de los cristales. Es la de mayor importan­ cia en los alimentos congelados. Se debe a la tendencia de los cristales de gran ta­ maño a crecer a expensas de los de me­ nor tamaño, por diferencias en la energía superficial de los cristales (los cristales pequeños mantienen unidas las moléculas superficiales con menor intensidad que loá cristales grandes). Esta modificación se intensifica con las fluctuaciones de la temperatura de almacenamiento. Cuando la temperatura de almacenamiento au­ menta, los cristales de hielo se funden parcialmente, siendo más afectados los de menor tamaño al tener puntos de fusión más bajos. Pero si la temperatura vuelve a disminuir, por la fuerza de atracción en­ tre masas, las moléculas de agua tenderán a unirse a los cristales de mayor tamaño en vez de formar nuevos núcleos de cris­ talización. El resultado neto es la dismi­ nución del número de cristales (desapare­ ciendo los de menor tamaño) y el aumen­ to de su tamaño medio. 3. Recristalización por contacto o acreáva. Tiene lugar cuando los cristales que están en contacto se unen para formar uno de mayor tamaño y menor energía. Ai igual que en el caso anterior, la consecuencia e s ía reducción del número y el aumento dél tamaño de los cristales. Este tipo de recristalización no se puede' evitar, aun­ que su lentitud le resta importancia. 4. Recristalización por presión. Cuando se aplica una fuerza a un grupo de cristales MIGRATORIA i t b -ib *g~1 °v?. ° o C ° o de hielo con distinta orientación, aque­ llos que tienen su eje principal paralelo a la dirección de la fuerza aplicada crece­ rán a expensas de los otros, siendo el crecimiento proporcional a la fuerza aplicada. Es decir, es importante evitar que los a.' imentos congelados estén so- mecidos a presión. Es evidente que la mayor calidad de los alimentos congelados rápidamente puede de­ saparecer durante su almacenamiento, igua­ lándose con la de los congelados a velocidades más lentas, por estos fenómenos de recristali­ zación. Por lo tanto, para conservar la calidad de los productos congelados es fundamental mantener una temperatura constante y evitar el apilamientq excesivo durante su almacena­ miento. B) Sublimación Durante el almacenamiento en congelac>¿>i, cuando la superficie húmeda y fría de los ali­ mentos contacta con una atmósfera no satura- da de humedad, parte del hielo superficial del alimento se sublima. Esta deshidratación tiene como consecuencia la disminución del peso del alimento. Por ejemplo, la carne puede llegar a perder un 0,25% de su peso por cada mes de almacenamiento en congelación. Estas pérdi­ das dependen de la temperatura del aire (figu­ ra 10.10), disminuyendo cuanto más baja sea ésta. Además de las pérdidas económicas por reducción del peso, la deshidratación también modifica el aspecto superficial de los alimen­ tos. Esta alteración se conoce como quemadura por frío o quemadura del congelador y se ma­ nifiesta en forma de manchas claras debidas a que las pequeñas cavidades microscópicas, que anteriormente estaban ocupadas por cristales de hielo, modifican la longitud de onda de la luz reflejada. Al mismo tiempo se producen cambios en la consistencia, porque las áreas deshidratadas no vuelven a reabsorber agua en igual medida durante la descongelación. La quemadura por frío es problemática, sobre to­ do en los productos que tienen una elevada re­ lación superficie/volumen. Temperatura en el centro del producto (*C) Figura 10.10. Perdidas de peso acumuladas durante la congelación con oiré a distintas temperaturas. Fuente: Herber, Lóndahl, Persson y Rynnel (1991). Entre los posibles recursos que pueden em­ plearse para evitar esta deshidratación pueden citarse: 1. El envasado a vacío en materiales imper­ meables al vapor de agua. La aplicación de vacío es importante para evitar que se produzcan condensaciones en el interior del envase. 2. El mantenimiento de una adecuada hu­ medad relativa de la atmósfera de alma­ cenamiento, que normalmente tiende a disminuir por la condensación de hume­ dad en los evaporadores. 3. Evitar velocidades excesivamente gran­ des del aire. 4. La formación de una capa de glaseado de hielo sobre el alimento. C) Modificaciones químicas Se trata en esencia de las mismas alteracio­ nes originadas durante el curso de la congela­ ción. La autooxidación de los lípidos, responsa­ ble de la aparición de sabores y aromas propios del enranciamiento, es una de las reacciones químicas de mayor importancia en los produc­ tos congelados porque, aunque lentamente, tie­ ne lugar incluso a -18 °C. Afecta de forma muy acusada a los alimentos que tienen un elevado contenido en grasas insaturadas (como pesca­ dos grasos y carne de cerdo), reduciendo su vi­ da útil. Los lípidos también pueden hidrolizar- se y el aumento de ácidos grasos libres puede favorecer la desnaturalización de las proteínas (aves y pescado). Las alteraciones en el color y las pérdidas de vitaminas pueden deberse a reacciones de naturaleza química o enzimática que afectan a carotenoides, antocianinas y clorofilas. Tam­ bién se producen pérdidas de compuestos aro­ máticos y gases, que tienen menor solubilidad a bajas temperaturas. Los carbohidratos son los componentes menos afectados por la con­ gelación, debiendo señalarse tan sólo la retro- gradación del almidón. Dependiendo del pro­ ducto, la modificación de la textura puede te­ ner otras causas. Por ejemplo, en' los helados por la cristalización de la lactosa, en la carne y el pescado por agregación de las proteínas musculares, en la leche por la gelificación pro­ teica y en los geles de hidrocoloides por deses­ tabilización. La actividad residual de las enzimas puede ocasionar varias modificaciones, aparte de las ya mencionadas pérdida de vitamina C y degra­ dación de pigmentos. En las frutas, las polifeno- loxidasas pueden causar pardeamiento enzimá- tico. La modificación de los lípidos insaturados por las lipooxigenasas da lugar a la aparición de olores y sabores anómalos. Para evitar estas ac­ tividades enzimáticas es habitual aplicar un tra­ tamiento térmico de escaldado o químico a las frutas y hortalizas antes de la congelación. En carne y pescado almacenados durante períodos prolongados en congelación, la actividad de las proteasas y las lipasas puede modificar tanto su textura como su sabor y aroma. Es importante insistir en que todos estos cambios físicos y químicos, y no los microbioló- gicos, son los responsables de que los alimen­ tos no se puedan almacenar en congelación in­ definidamente. El tiempo que un alimento se puede mantener congelado en buenas condi­ ciones depende del tipo de producto (es decir, de su composición química y estructura), de su calidad inicial y procesado previo, del método de congelación, del envasado y de las condicio­ nes mantenidas durante su almacenamiento. El período de tiempo durante el cual el producto conserva la calidad que tenía antes de su con­ gelación se expresa como el valor H QL (High Quality Life). Este parámetro se define como el tiempo durante el cual un producto se puede mantener congelado hasta que el 70-80% de los miembros de un panel de degustación es ca­ paz de detectar las primeras pérdidas de cali­ dad. La relación entre el valor H QL y la tem ­ peratura de almacenamiento es similar al tiem­ po de reducción decimal en los tratamientos térmicos (figura 10.11). El valor H QL es de FIGURA 10.11. Pérdida de la calidad organoléptica de los alimentos congelados en función de la tem­ peratura y del tiempo de almacenamiento. Fuente: fennema (1975). gran utilidad, en investigación o en el desarro­ llo de productos, para comparar la velocidad de deterioro de diferentes productos o formu­ laciones. Otro parámetro de interés en relación con la calidad de los alimentos congelados es la vi­ da útil o aceptabilidad, que se define como el período de tiempo durante el cual un producto congelado mantiene una calidad aceptable pa­ ra su consumo o venta (cuadro 10.6). La vida útil de un alimento congelado, de mayor inte­ rés práctico para el industrial a la hora de eva­ luar la cadena de distribución, es generalmente unas seis veces superior a su valor HQL. Estos parámetros dependen en gran medida ds la temperatura y del tiempo del almacena­ miento, siendo las fluctuaciones de la tempera- CUAMO 10.6. Pirioda d« olmes*nami«nte (mcMi) *n con­ gelación o distintos tamp*raturoi durante al cual diversoi productos mantienen su cofidod. Producto Twnparatura |*C] -1 8 -1 2 -7 Cora» d* -acuno (crudo] I 3 - U 3 < 2 Cora* d* ctrdo |crudo] 10 < 4 < 1.5 Pollo crudo 27 15.5 < 8 Pollo frito < 3 < 1 < 0 .0 Pfiecdo magro (crudo] 3 < 2 .2 5 < 1.5 P*Kodo graso laudo) 2 1.5 0.8 Zumo d* naranjo 27 10 4 Milocoton«i 12 < 2 0,2 Froai 12 2,4 0,3 Coliflor 12 2.4 0.3 ludia i vtróti 11-12 3 1 Guisantal v*rd*t 11-12 3 1 Etpinocsi 6 -7 < 3 0 ,75 Fuen*: to a r (1914). tura uno de los factores más adversos para la calidad de los productos congelados. Estos pa­ rámetros pueden calcularse por el m étodo de tolerancia de tiempo/temperatura ( 1 1 1 ) que tiene en cuenta la cinética de aquella reacción responsable de la limitación de la vida útil de cada producto congelado y su dependencia de la temperatura. También es importante mantener una humedad relativa adecuada durante el al­ macenamiento en congelación. Sin embargo, al emplearse temperaturas más bajas su repercu­ sión en la calidad de los alimentos congelados es menor que en los refrigerados, sobre todo si el control de la temperatura y el envasado de los productos es adecuado. Se ha reconocido, además, la importancia que tienen en la calidad de los productos congelados la calidad intrínse­ ca de la materia prima, la óptima realización de los procesos tecnológicos propios de la conge­ lación asf como otros auxiliares (por ejemplo, el escaldado) y un envasado adecuado (facto­ res PPP; product, processing, packaging = p ro ­ ducto, procesado, envasado). La vigilancia de estos factores puede ser más eficaz para conse­ guir una calidad adecuada de los productos congelados que la reducción de la temperatura de almacenamiento. Dada la repercusión de las fluctuaciones de la temperatura durante el almacenamiento en la calidad de los productos congelados, se han desarrollado diversos indicadores para mostrar de forma sencilla la historia térmica del produc­ to tras su congelación e indicar la vida útil res­ tante. La mayoría de estos indicadores consis­ ten en etiquetas autoadhesivas que se aplican a los envases del producto y se pueden inspeccio­ nar en cualquier punto de la cadena de distribu­ ción. Habitualmente se basan en reacciones químicas o enzimáticas, o en la simple difusión de un compuesto, que provocan modificaciones en el indicador. Estas modificaciones han de ser irreversibles y depender de la temperatura de forma análoga a la mayoría de las reacciones fi­ sicoquímicas. Los más sencillos muestran un cambio de color cuando se ha excedido una de­ terminada temperatura, pero no indican el tiempo que el producto ha permanecido a esa temperatura. Otros indicadores más avanzados estiman la pérdida de vida útil del alimento con una velocidad de cambio similar al deterioro del alimento. En la figura 10.12 se muestran dos indicadores de tiempo-temperatura de este ti­ po. El indicador FreshCheck* se basa en la poli­ merización en el círculo interior de una fina ca­ pa de un monómero. La polimerización, depen­ diente del tiempo y de la temperatura, provoca el oscurecimiento gradual En el punto finai de la transformación, indicando la expiración de la vida útil del producto, el color del centro se vuelve tan oscuro o más que el anillo exterior de referencia. El fundamento del indicador de la figura 10.12.b también es un cambio de color en un indicador de pH en el interior del círculo, como consecuencia de una reacción enzimática. que se compara con la escala del anillo extenor. 10.4.6. Importancia del estado vitreo en la estabilidad de los alimentos congelados Tradicionalmente se ha considerado que la estabilidad a largo plazo de los alimentos de- AC£PTA8l£ CADUCADO F ig u ra 1 0 .1 2 . In d ic ad o res d e tiem p e -tem p e ra fu ra p a r a p ro d u c to s co n g e lad o s : a] Fresh-C heck* y b) in­ d ic a d o r b a s a d o en el c a m b io d e co lo r del círculo in te rn o (los p o rc e n ta je s m u e stran la e q u iv a le n c ia d e l co lo r con la v ida útil restante). pendía casi exclusivamente de su am. La aw es un concepto termodinámico que fue desarro­ llado para soluciones ideales en condiciones de equilibrio (capítulo 2). Sin embargo, los ali­ mentos tienen una composición muy heterogé­ nea y, en algunos casos, una elevada concentra­ ción de solutos. En estas condiciones los ali­ mentos no se pueden considerar armo sistemas en equilibrio termodinámico y. por lo tanto, la aplicación del concepto de a^ requiere ciertas precauciones. Éste es el caso de los alimentos congelados en los que, al formarse los cristales de hielo y. eliminarse progresivamente el agua de la solución, los biopolímeros (proteínas y poli- sacáridos) y los carbohidratos de bajo peso mo­ lecular llegan a formar estructuras amorfas. Se ha sugerido que en esta situación la estabilidad a) F R ESri-C H cC K ® No consum ir d e sp u é s d e la fecha de caducidad o si el círculo interior e s m á s oscuro que ei exterior ACEPTABLE CADUCADO está gobernada por propiedades dinámicas (movilidad, difusión, etc.) en vez de termodiná­ micas. Estos conceptos de la dinámica del a ta ­ do vitreo, que se tratarán a continuación, tam­ bién son útiles en otros procesos tecnológicos en ios que el agua se elimina en un corto perío­ do de tiempo (horneado, concentración, deshi­ dratación, extrusión, etc.). Mientras que la aw relaciona la estabilidad de los alimentos con la disponibilidad o capacidad del agua para ac­ tuar como disolvente; en la dinámica del estado vitreo la estabilidad se considera relacionada con el estado físico del alimento y, más concre­ tamente, con la microviscosidad y la difusión de los compuestos químicos (dependientes, a su vez, del contenido y propiedades del agua). Es conveniente señalar que ambas alternativas no son excluyentes, sino complementarías y aplicables en situaciones diferentes. Para facilitar la comprensión de estos con­ ceptos es conveniente recurrir a los diagramas de estado. Los diagramas de estado contienen información sobre los cambios del estado físico de los componentes de los alimentos en fun­ ción de la temperatura y del contenido de agua a una determinada presión. Se pueden conside­ rar como diagramas de fase suplementados en los que se muestran además de las condiciones de equilibrio termodinámico. las de no equili­ brio y las de equilibrio metaestable. En la figu­ ra 10.13, se ha representado el diagrama de es­ tado de una mezcla binaría (soluto-agua). Las curvas de fusión del agua (7^0 y de cristaliza­ ción del soluto (Tm‘), donde coexisten los esta­ dos sólido y líquido, se corresponden con las condiciones de equilibrio representadas habi- tualmeme en los diagramas de fases. En el dia­ grama de estado aparecen, además, la curva de transición «úrea iliaca Tf ) y la ¡iae» Tz -Tt ‘ co­ rrespondientes a equilibrios metaestables. Es­ tos diagramas son cualitativamente similares para todos los sistemas, variando tan sólo cuan­ titativamente; aunque para los alimentos la re­ presentación puede ser bastante compleja. El a ta d o vitreo es un estado sólido amorfo y desordenado con una estructura similar a un Figura 10.13. Diagrama de estado da una mezcla binaria soluto-agua, las líneas continuas se corres­ ponden con las curvas de equilibrio de Fusión (7^ y da cristalización (ral). T¡ es el punto eutéctico. la li­ nea discontinua es la curva de transición vitrea. 1c temperatura de transición vitrea de los sólidos concentrados al máximo por la congelación es T' (característica de cada soluto) y la correspondiente concentración de sólidos de esa solución es C} ‘. fuente: Fennema (199ó). líquido pero coa una viscosidad superior a 10'4 Pa.s, en oposición al estado cristalino que se caracteriza por una elevada organización. El estado vitreo se forma cuando una solución de un compuesto con estructura molecular desor­ denada se enfría (o se concentra) muy rápida­ mente a una temperatura inferior a la tempera­ tura de equilibrio de cristalización. El cambio del estado líquido superenfriado y concentra­ do. de consistencia viscosa o gomosa, al estado sólido vitreo se denomina transición vitrea y se considera como un cambio de fase de segundo orden. Aunque no implica una variación en el calor latente, se puede detectar por la variación de otras propiedades (capacidad calorífica, vis­ cosidad, constante dieléctrica, etc.). Este cam­ bio tiene lugar a una temperatura, o más exac- tameate un rango de temperatura, caracterís­ tica de cada compuesto, que se denomina tem­ peratura de transición vitrea ( T ). En el estado vitreo la movilidad translación» de las molécu­ las es tan reducida que no pueden alcanzar la conformación y el empaquetamiento propios del equilibrio (estado crístalino). La viscosidad es tan elevada que impide la reorganización de las moléculas en una escala de tiempo prácti­ ca, por lo que el estado vitreo se considera en equilibrio mecaestable. Entre los componentes de los alimentos que pueden encontrarse en este estado pueden citarse los biopolimeros (proteínas como gelatina, elastina y gluten y carbohidratos como amilosa y amilopectina) y algunas moléculas pequeñas como monosacári- dos y oligosacirídos. Durante la congelación, la transición vitrea tiene lugar cuando, al disminuir la temperatura y formarse los cristales de hielo, los sólidos con­ centrados al máximo en la fracción líquida no congelada se transforman en una matriz sólida amorfa (estado vitreo). La gran importancia de la transición vitrea radica en que marca un cam­ bio abrupto en el comportamiento físico y quí­ mico de ios alimentos y, por lo tanto, en su esta­ bilidad. A temperaturas inferiores a la Tf , la viscosidad de los materiales vitreos es muy ele­ vada y constante (figura 10.14). En esas condi­ ciones la movilidad molecular y el volumen li­ bre están severamente restringidos, por lo que la velocidad de las reacciones y la cristalización del agua se reducen notablemente. Por el con­ trario, cuando la temperatura supera el valor de T . la viscosidad disminuye significativamente, facilitando la movilidad molecular. Esta mayor capacidad de difusión molecular favorece los fe­ nómenos de recristalización y el desarrollo de diversas reacciones alterantes. D e todo esto se deduce que los cambios o propiedades físicas de los alimentos, que en su mayoría dependen de la difusión molecular, así como todas aquellas re­ acciones químicas que dependan más de la difu­ sión que de la reactividad química, estarán con­ troladas por la Tt (cuadro 10.7). Algunas reac­ ciones en las que intervienen compuestos no FIGURA 10.14. Relaciones existentes entre temperatura, tipo de cinética aplicoble, viscosidad, movilidad molecular, volumen libre y velocidades relctivcs de los acon­ tecimientos dependientes de la difusión. Fuente: Fennema (1996). CuaOíO i 0.7 rrop t«a aá « i d * ío» ai¡m#nroj cOAgeloda» qy« depeod tn d« la movilidad molecular (cambios limitado» por la d ifuu ón «n producto» que contienen reg ción de solutos (Cf ') ya no aumentará más a partir del punto T \ aunque prosiga el enfria­ miento eliminándose calor sensible (punto E). En este punto E, inferior a T ‘, e I alimento ten­ drá la máxima estabilidad porque la movilidad molecular es prácticamente inexistente. El conocimiento de la temperatura de tran­ sición vitrea hará posible, por lo tanto, predecir el estado físico y la velocidad de la alteración de los alimentos congelados (figura 10.15). Se considera que la estabilidad de ios alimentos congelados está asociada a la existencia del es­ tado vitreo (T < Tg). Si la temperatura del pro­ ducto es superior (T > T V la estabilidad será variable y la velocidad y la magnitud de estos cambios estará determinada por la diferencia de temperatura (T-Tf), ya que la movilidad molecular tiene una gran dependencia de la temperatura. En el cuadro 10.8 se recogen les valores de la temperatura de transición vitrea determina­ dos para algunos alimentos congelados en los que se ha alcanzado la concentración máxima de solutos. Estos datos pueden ser de gran uti­ lidad para el tecnólogoxle alimentos, que ha de tener entre sus objetivos el que los alimentos CuaOCO 10.8. Temperatura da transición vitrea de d j n i alimentos. Producto r / r q Ternera (músculo) -1 2 .0 3 0,3 Socalas (r.úscjb) - I l . 7 x 0 . o Caballa (músculo) - 1 2 ,4 x 0 ,2 Queso Cheddar -2 4 Cromo da queso -33 Helado de vainilla -31 a -33 Zumo de norania -3 7 . i x 1,0 Zumo da limón -43 .0 x 1,5 Presas -33 a —4 1 Melocotón -3 ó Plátano -3 5 lómate -41 Manzanas -41 a -4 2 M aíz -8 Patatas -4 fuente: fennems |I99ó |. alcancen ese estado en el que la lentitud de la reorganización molecular asegure en la prácti­ ca la estabilidad de los productos. La aplica­ ción de estos conceptos permitirá mejorar la calidad de los alimentos congelados, no sólo durante su congelación sino también durante su almacenamiento. Por ejemplo, se podrá de­ terminar cuál es la velocidad de congelación óptima para reducir al mínimo la cantidad de agua no congelada. Igualmente, la vida útil se­ rá mayor si la temperatura de almacenamiento se mantiene por debajo de la temperatura de transición vitrea. Otra alternativa posible es la reformulación de los alimentos congelados pa­ ra que el valor de la T sea superior al de las temperaturas habituales de congelación (por ejemplo, por la adición de algunos polímeros). Para finalizar, es necesario señalar que aun­ que la utilidad práctica de la temperatura de transición vitrea haya sido reconocida desde un punto de vista teórico, la determinación exacta de este parámetro físico entraña cierta dificul­ tad debido a la naturaleza heterogénea de los alimentos y a la baja energía asociada con la transición vitrea. Actualmente, hay gran inte­ rés en la optimización de los métodos para su determinación y en la elaboración de bases de datos que, sin duda, serán de gran ayuda para la industria alimentaria. 10.4.7. Otras aplicaciones de la congelación Debe mencionarse que la congelación pue­ de tener otros objetivos distintos a la conserva­ ción, como por ejemplo la separación de algún componente del alimento tras su cristalización. Éste es el caso de la concentración de cienos alimentos líquidos, ya que durante la congela­ ción se forman cristales de hielo puro que se pueden'separar fácilmente de la fase líquida concentrada. Tradicionalmente se ha empleado para ajustar el contenido alcohólico de sidra y vino. La concentración por congelación está es­ pecialmente indicada para aquellos productos en los que la aplicación de calor puede pravo- car su deterioro, como zurr.cs de frutas, aunque hay que tener en cuenta que el coste es elevado y l.t concentración lograda limitada. También es útil para reducir !a acidez en vinos, por la formación y separación de cristales de ácido tartárico. Algunos alimentos no se congelan para aumentar su vida útil, sino para obtener una es­ tructura y textura determinadas. A diferencia del resto de los alimentos congelados, no son descongelados antes de su consumo, como por ejetnplo helados, sorbetes o yogur congelado. Finalmente, la lioñlización requiere la con­ gelación previa de los productos que se van a prc cesar (capítulo 11). 10.5. Producción industrial de frío La aplicación industrial de frío ha requerido el desarrollo de sistemas para su producción continua y controlada, que se pueden dividir en dos grandes grupos: mecánicos y criogénicos. 10.5.1. Sistemas mecánicos Se trata de sistemas cenados que actúan bá­ sicamente como una bomba que extrae el calor del alimento o de un recinto que se encuentra (o donde se pretende alcanzar) a una baja tem­ peratura y lo transfiere a otra parte del sistema donde se disipa. Esto es posible gracias al em­ pleo de fluidos refrigerantes que recirculun a través del sistema en un circuito cenado y en el que se transforman sucesivamente de líquido a vapor y de vapor a líquido. En la figura 10.16 se muestran los principales elem entos de un sistema de refrigeración mecánico típico. Estos sistemas son los más habituales, tanto en gran­ des instalaciones comerciales como en los refri­ geradores domésticos. Los fluidos refrigerantes tienen, entre ctras propiedades, una temperatura de ebullición a presión atmosférica inferior a los 0 *C y ur ca­ lor latente de vaporización muy elevado. Los más empleados en la industria alimentaria son el amoníaco y diversos hidrocarburos haloge- nados (freones), cuyas características más des- tacables se muestran en el cuadro 10.9. La parte útil del ciclo de refrigeración tiene lugar en el evaporador, que es básicamente un intercambiador de calor, en cuyo interior el re­ frigerante en estado líquido se evapora toman­ do para ello calor (calor latente de vaporiza­ ción) de un medio más caliente, que puede ser el alimento que se va a enfriar, el aire u otro fluido. El resto de los componentes del circuito tienen como misión recuperar las condiciones iniciales de ese fluido refrigerante. El refrige­ Figura 10.1 ó. Diograma de un circuito de refrigeración mecánica. Q,, calor transferida al refrigerante; Ov calor cedido por el refrigerante; W, trabajo realizodo por el compresor. CüAOtO 10.9. Propioóoáoi áo algunos rofagtrontes smoUodoi on lo industrio ogroaiimontorio. tairigaranto (fórmula; Homaro (Ji identificación} Punía d t abolición (•qolO O kPo Calor la tanto da vaporización (U k ^ l Tn..: 1-1.1 rowciooa Inflamabilidad DidotodMuotomatono* l e a * M 2 | -29,8 103,54 Saja Baja GofodiBuoromtlono* • |CHClf 2; *-221 -10,8 220,94 Baja Saja lalrofluorotiono*** (CfjCHjí; 8-134o) -27,0 Baja Baja Amoniaco (NHj; lt-717] -33.3 1.328.48 Ate Alta * lo» compuesto» CfC (doroflwofocofbonodoi). totoUento halogonodoi. ton muy «noble» y diftj*ióe* o lo e*«roto»Wo. Su abeto repercuto en lo copo do ozono y * contribución of docto Wwemodero Kon rfelemiinodo lo prohibición do w empleo. * • la producción do lo» goto» HCFC (fcdrofiuorodorocorbonodoi] dooo comenzar o reducirse on ol 0A0 2000 y doboró suprimirte on ol 2015 oo lo Unión Europea. • • • lo» HFC (hidrofoorocorbonodo*|. que no contienen doro ni bromo, auitihnrán poulctinomonfo o lo» HC^C porque no pretenton riesgo» opo- rento» poro lo copo do ozono y contribuyen mono» cd d octo invernodero. rante evaporado fluye al compresor, donde es comprimido (aumentando al mismo tiempo su temperatura) a una presión lo suficientemente alta para ser condensado en otro intercambia- dor de calor (condensador) empleando para ello aire o agua frfa. En el condensador se eli­ mina, por lo tanto, el calor cedido por el aire o alimento al fluido refrigerante para su evapora­ ción más el adquirido por este fluido durante el proceso de compresión. El refrigerante con­ densado fluye a un tanque de mantenimiento, del cual pasa de nuevo al evaporador a través de una válvula de expansión. Cuando el líquido se expande (expansión isoentálpica) su tem­ peratura disminuye, alcanzando las condicio­ nes originales para iniciar de nuevo el ciclo. Todo esto es posible gracias a la energía mecá­ nica suministrada por el compresor, siendo ne­ cesario un adecuado diseño del sistema para eliminar la mayor cantidad de calor posible con el mínimo coste. En estos sistemas de refrigeración mecánica los refrigerantes primarios (amoníaco o freo- nes) no contactan nunca directamente con el alimento, sino que enfrían a otro medio (aire, agua y otros fluidos o superficies metálicas) que sí va a contactar con el alimento al cual enfrian. 10.5.2. Sistemas criogénicos En la industria alimentaria también se em ­ plean abundantemente sistemas de refrigera­ ción abiertos basados en el empleo de líquidos criogénicos o gases licuados Estos compuestos criogénicos tienen un punto de ebullición muy bajo y un calor latente de vaporización bastan­ te elevado. Los más habituales son el dióxido de carbono (COz), líquido o sólido (nieve car­ bónica), el nitrógeno líquido (N2) y, antigua­ mente, el diclorodifluorometano (R-12 o freón 12), cuyas propiedades más destacadas se seña­ lan en el cuadro 10.10. No existe en este caso conexión con una planta de refrigeración, sino que los gases se licúan en otras instalaciones in­ dustriales y se transportan a la industria a li­ mentaria en recipientes presurizados a baja temperatura y aislados. A diferencia de los sis­ temas de refrigeración mecánica, el alimento se enfría por contacto directo con estos líquidos, CUAOtO 10.10. Propi*dad«s d i los líquidos cnoginicos »mpt«odoi hahituotmanla #n la industrio alimentaria. N, CO, í-12 Punto d i abultioén PQo 100 kPo -195,1 -78,5 [sublimación] -29.8 Color lo tonto d i (VJkg-'l vaporización 199,57 sublimación 572,43 vaoorizoción 347,97 vaporización 165,24 Calor ««pacifica |kj Vg-' •C-'l dd gas a 100 kPo l,02x a 15,5 *C 0,832 a 15,5 *C 0.832 o 15,5 *C 0,6071 a 30 *C Copacidod rafrigtrontt mal Wkg-'l* d i -195,8 o -19 *C 381,64 d. -78,5 o -18 *C 622,77 dt -78,5 o -18 *C 398,31 d i -29,8 o -18 *C 172,40 Consumo (Vg) por Itg d i producto congdado 1-3 1.2-3.75 0,01-0,03* * lo» dotfollvorocofbortoi no pvtdtn fabrican* to lo Unión Europeo, tu Wrpono* »*, ó*»d» entro ó* 1995. ̂Copoodod ftirtgoodti tjtal • color toionlc ♦ [colof n p td ico * ( - ' • *c - f rpjroM o dv «buliciSn o subm>oóó*J| * {1 frvón 1*12 M pvi ds r t c M w fo n te : Datos lomados d i F rn im e (1975). los cuales al tomar calor de los alimeatos para su evaporación o sublim ación aseguran la ac­ ción refrigerante. A l ponerse en contacto con el alimento a pre­ sión atmosférica, el N 2 liquido hierve a -196 °C y se transforma en gas absorbiendo del alimento el calor latente de vaporización (200 kJ kg-1 de N j) Tras este cam bio de estado, el gas nitróge­ n o a -1 9 6 °C conserva una gran capacidad de enfriam iento porque puede captar calor sensi­ ble al calentarse hasta -1 8 #C (182 kJ kg-*). El C 0 2 líquido alm acenado a baja tempera­ tura y elevada presión se transforma a presión atm osférica en só lid o (n ieve carbónica) y en gas. El poder refrigerante del C 0 2 se debe fun­ dam entalm ente a la sublim ación de esta nieve carbónica al contactar con el alim ento (A, & 572 kJ kg'1 a -7 8 *C); el gas a -7 8 °C formado tras la sublim ación tam bién absorbe calor sensible al calentarse hasta -1 8 °C. El poder refrigeran­ te total, igual a la suma del calor latente más el calor sensible absorbidos, del N2 y del C 0 2 es 382 y 623 kJ kg-1 respectivam ente (consideran­ do para el CO, únicamente la capacidad refri­ gerante de la nieve carbónica). El em pleo de líquidos criogénicos tiene un coste más elevado que los sistem as de refrige­ ración mecánica, porque su precio es superior y generalm ente no se pueden reutilizar, aunque se com pensa con la obtención de productos de mayor calidad. 10.5.3. Necesidades de refrigeración La elección y el diseño adecuados del siste­ ma y equipo que hay que em plear para la refri­ geración o la congelación requiere conocer la cantidad de calor que se ha de eliminar. La car­ ga de refrigeración es la cantidad de calor que se debe extraer del alim ento que querem os re­ frigerar o congelar, expresada com o kJ kg'1. En el caso de la refrigeración, esta carga se ­ rá la cantidad de calor que hay que elim inar para reducir la temperatura del alim ento desde un valor inicial hasta el adecuado para su alma- cenamiento. Dependerá básicamente de ia ma­ sa total del producto, de su calor específico a temperaturas superiores a la congelación y de ia diferencia existente entre la temperatura ini­ cial y la final deseada; qR = m c r (fl, - Qf) (10.2) donde m = masa del producto (kg); cp - calor es­ pecífico del producto para temperaturas superio­ res a las de congelación (kJ kg'1 *C'1); 9¡ = tem­ peratura inicial (*C) y Qf = temperatura final de enfriamiento (°C). Si se trata de frutas y hortalizas hay que te­ ner en cuenta que son metabólicamente activas y están generando, en mayor o menor medida, calor por respiración aeróbica. Este calor debe ser eliminado de forma continua para que la temperatura del producto se mantenga cons­ tante. El calor de respiración de diversas frutas y verduras puede encontrarse en el cuadro 10.2, así como en diversos manuales. Si consideramos el caso más complejo de la congelación de un alimento, de una forma sim­ plificada y considerando que todo el hielo se- forma a la temperatura a la que se inicia la con­ gelación, la carga de refrigeración se puede considerar como la suma de tres componentes: a) El calor sensible que es necesario elimi­ nar para reducir la temperatura del ali­ mento a la de inicio de la congelación: í , = m cw (a¿- 3 e) (10.3) doade cp, = calor específico del alimento para temperaturas superiores a la de congelación (kJ kg-1 °C"') y 9e - tem­ peratura de inicio de la congelación del alimento (°C). b) El calor latente asociado ai cambio de estado a la temperatura de congelación: = m XQ (10.4) donde \ = calor latente de fusión (kJ k r 1)- c) El calor sensible que es necesario elimi­ nar para bajar la temperatura del pro­ ducto desde el punto de inicio de la con­ gelación a la temperatura final deseada: q j ^ m c n (9e - e f) (10.5) donde cn = cabr específico del alimento para temperaturas inferiores a las de congelación (kJ kg'1 8C~’) y = tem­ peratura final ('C). Por lo tanto, para estimar la carga de refri­ geración es necesario conocer el contenido en agua del alimento, el cunto en que se inicia su congelación y algunas propiedades térmicas co­ mo el calor específico del producto antes y des­ pués de la congelación y el calor latente del cambio de estado. Todos estos datos se pueden encontrar en manuales o se pueden estimar de forma bastante aproximada empleando senci­ llas fórmulas (Lewis (1993); cuadro 10.11). El contenido de agua influye significativa­ mente en la carga de refrigeración por los si­ guientes motivos. En primer lugar, porque no todo el agua del alimento se congela y la frac­ ción de agua que lo hace es la que determinará la cantidad de calor que hay que eliminar aso­ ciada a su cambio de fase. Precisamente la ma­ yor parte de la energía necesaria para congelar los alimentos se emplea para absorber el calor latente de fusión. En segundo lugar, el calor es­ pecífico de los alimentos dependerá de su con­ tenido de agua y de su estado físico. El calor específico del agua (4,18 kJ kg”1 "C4 a 15 *C) es mucho mayor que el del resto de los compo­ nentes de los alimentos. Los alimentos con una gran proporción de agua tendrán valores de ca­ lor específico mucho m is elevados que los de menor contenido en agua. El cambio de estado físico desagua, de líquido a sólido, supone un cambio drástico de su calor específico, siendo el del hieio.2,04 kJ kg*1 ’C4 a 0 ®G El calor es­ pecífico de los productos congelados, por lo tanto, será aproximadamente la mitad del que tiene el alimento fresco (cuadro 10.11). Es de­ C'JAOXO JO.! 1. Propiodcds» lérmicc» de elgunci alimentos de ínter** pero, el cüculo dalo carge-de refrigeración. Afimémo Contenido da agio nu Punto de inicio da la congelación r a Colar especifico (kJkg-»-*C-'| a temperatura SPC* IPC1 Calor tatema Whr'l PROOUCTOS 06 ORIGEN ANIMAL: femara, canal 60% magra 49 -1,7 2,90 1,46 164 54% magra 45 -2,2 2,80 1,41 151 Cardo, canal 47% magro 37 _ 2,60 1.31 124 Salchicha •Hilo Fnonlifurt 5ó -1.7 3,08 1.55 188 Cardara 67% magro 61 -1,’ 3,20 1.61 204 Palo 74 -2,8 3,53 1.77 248 Bacalao 78 -2,2 3,63 1,82 261 Salmón 64 -2.2 3,28 1,65 214 Gamba» 83 -2,2 37S 1,89 278 lacha 3,74% greta 87 -0,6 3.85 1,94 291 dasnatoda 91 - 3.95 1,99 305 eondanjado 27 -15,0 2.35 1.18 90 Huevos 74 -0,6 3,53 1.77 247 Mial 17 - 2,10 1,68 57 PROOUCTOS DE ORIGEN VEGETAL: Manzanos 84 -1,1 3,78 1.90 281 Piálanos 75 -0,8 3,55 1,79 251 Naranjas 87 •0.8 3,85 1,94 292 Sandias 93 -0,4 4,00 2.01 312 Almendra» 5 - 1.80 0,90 17 Espárragos 93 -0,6 4,00 2,01 312 Zanahorias 88 -1,4 3,88 1.95 295 Paratas 78 -0,6 3,63 1,82 261 femólas 94 -0,5 4.03 2,02 315 * K , wpr e « |W«ü de cengrioción. * *C, interior al punto de cangeladdn. fm n f. Habar, lindóte. Poruon y Jtymel (19? I). cir, se requerirá una menor cantidad de energía oara reducir la temperatura de los alimentos congelados. Y, por último, el punto de congela­ ción de un alimento también depende de su contenido en agua. Aunque estrictamente ha­ blando los alimentos no tienen una temperatu­ ra de congelación fija, como ocurre en el caso del agua pura, para simplificar los cálculos se emplea normalmente la temperatura a la que se inicia su congelación. Este valor suele oscilar entre -1 v -5 ®C. pero si no se conoce con exac­ titud se estima un valor de -2,2 °C , Para que la refrigeración y la congelación sean satisfactorias es necesario, además, que el cambio de temperatura del producto se lleve a cabo en un período de tiempo adecuado. La velocidad de congelación dependerá del balan­ ce existente entre la fuerza conductora y la re­ sistencia a la transmisión de calor, siguiendo los principios aplicables a ésta. La fuerza conduc­ tora es sencillamente la diferencia de tempera­ tura que existe entre el alimento y el medio frío empleado. La velocidad de congelación de­ penderá, además, de: a) La composición química del producto, en concreto de la conductividad térmica de sus com ponentes, la disposición física de éstos, la superficie de contacto del ali­ mento con el medio frío y su espesor. La conductividad térmica de la grasa y del aire es inferior que la del resto de los componentes, por lo que los alimentos con un elevado contenido en grasa o de aire atrapado se congelarán más lenta­ mente. Además la conductividad térmica del hielo es mucho mayor que la del agua, siendo el descenso de la tempera­ tura del alimento más rápido una vez congelado. También es importante tener en cuenta la disposición de los distintos componentes. Una emulsión o/w se con­ gelará más rápidamente que si las fases están invertidas (emulsión w/o) y una pieza de carne con la grasa homogénea­ mente distribuida se congelará a mayor velocidad que si la grasa se encuentra co­ mo una capa superficial, la cual actuará como aislante. En el músculo también influye la orientación de las fibras mus­ culares con respecto a la superficie fría empleada. b) El resto de los factores que se han de considerar son el efecto refrigerante del medio empleado (calor latente de vapo­ rización, si hay cambio de estado, y/o ca­ lor específico), su velocidad y el grado de contacto con el alimento. En general, la velocidad de .congelación será mayor cuanto mayor sea el efecto refrigerante, el movimiento del fluido y el grado de contacto. También hay que tener en cuenta que si el alimento está envasado, el envase siempre supone una dificultad adicional a la transmisión de calor, redu­ ciendo la velocidad de congelación. Los términos velocidad de congelación y tiempo de congelación están relacionados: cuanto mayor sea la velocidad de congelación menor será el tiempo. Para definir el tiempo de congelación existen dos alternativas. El tiempo de congelación nominal es el período de tiem­ po que transcurre desde que la superficie del alimento ha alcanzado los 0 "C hasta que el centro térmico alcanza 10 *C por debajo de la temperatura inicial a la que comienzan a for­ marse cristales de hielo en él. El conocimiento del tiempo de congelación nominal es de gran utilidad para estimar el daño en el producto durante su congelación, porque está relaciona­ do con el tiempo que urda en formarse la ma­ yor parte del hielo en el alimento. También se emplea en ocasiones el tiempo de congelación efectivo, que es el necesario para reducir la temperatura de un alimento desde un valor ini­ cial hasta otro final predeterminado en su cen­ tro térmico. Este parámetro es de gran interés para el industrial porque se relaciona con la ca­ pacidad física del congelador o el tiempo total que un alimento debe mantenerse en él. La mayoría de los métodos disponibles son para predecir el tiempo de congelación efectivo, aunque los cálculos son bastante complejos por los cambios que se producen en los alimentos durante su congelación y la influencia que tie­ nen estos cambios en las propiedades del pro­ ducto. La potencia frigorífica o carga de enfria­ miento necesaria no sólo ha de tener en cuenta la cantidad de calor que hay que eliminar del producto y el tiempo en que ha de llevarse a cabo, sino también las pérdidas de calor que puedan producirse. Entre las fuentes de pérdi­ das más importantes hay que señalar el flujo de calor a través de paredes, suelo y techo, el cam­ bio de aire por infiltración o apertura de las puertas y las pérdidas incidentales (calor cedi­ do por los obreros, las fuentes de luz y los mo­ tores eléctricos). A la hora de seleccionar el equipo a la carga de enfriamiento total normal­ mente se le suma un 10% como margen de se­ guridad. 10.6. Métodos y equipos Los métodos disponibles para la refrigera­ ción y la congelación en la industria alimenta­ ria se pueden considerar divididos según em­ pleen sistemas mecánicos o criogénicos para la producción de frió. Existen diseños para el procesado discontinuo, semicontinuo o conti­ nuo. Los productos pueden ser refrigerados o congelados antes o después de ser envasados. La principal desventaja del envasado previo es la resistencia del envase a la transferencia de calor, pero puede ser de gran utilidad para evi­ tar una deshidratación excesiva o la contamina­ ción de los alimentos con el medio de refrigera­ ción. Los métodos basados en sistemas mecánicos se subdividen a su vez en función del medio de enfriamiento. A) Aire El aire como medio de enfriamiento tiene, entre otras, la gran ventaja de su polivalencia. Además de ser compatible con todos los ali­ mentos, permite procesar una gran diversidad de productos simultáneamente, independiente­ mente de su forma o dimensión. El principal problema se debe a sus propiedades térmicas, en concreto un bajo coeficiente de transmisión de calor en la superficie de los alimentos. Su eficacia se puede mejorar aumentando la velo­ cidad del aire, ya que así disminuye la capa de convección estática que rodea al alimento que dificulta la transmisión de calor. Otro proble­ ma es la desecación de la superficie de los pro­ ductos sin envasar, que limita el empleo de ve­ locidades muy altas. Esta humedad, además, se puede condensar y formar una capa de escar­ cha en los evaporadores, reduciendo la eficacia del enfriamiento del aire. Para evitarlo, la tem­ peratura del evaporador se mantiene a una temperatura ligeramente inferior que la det ai­ re circulante o se rocían los serpentines del evaporador con un anticongelante (como po- lietilenglicol). A pesar de estos inconvenientes, el aire es uno de los medios más empleados pa­ ra el enfriamiento en la industria alimentaria. B) Superficies frías Se incluyen aquí los métodos en los que el alimento, envasado o no, está en contacto con una superficie que a su vez está enfriada por un refrigerante. Se habla de funcionamiento direc­ to cuando ia superficie de intercambio está en­ friada por ei refrigerante primario (amoníaco, freón) y de funcionamiento indirecto cuando se emplea un refrigerante secundario (por ejem­ plo, una salmuera) En este último caso, el con­ trol es mayor porque se amortiguan las fluctua­ ciones de temperatura de la instalación frigorí­ fica, pero el rendimiento suele ser peor. La eficacia de estos métodos depende fundamen­ talmente del grado de contacto del alimento con las superficies frías. Es decir, no son muy útiles para alimentos irregulares que no con­ tactan uniformemente con las placas, pero sí para alimentos planos y de poco grosor y para alimentos contenidos en envases con superfi­ cies geométricas lisas y completamente llenos (la presencia de aire en el envase dificultaría la transmisión de calor). C) Líquidos Se engloban aquí todos los fluidos o refrige­ rantes secundarios, distintos del aire, que con­ tactan directamente con el alimento, envasado o no, y que suelea ser a su vez enfriados por un refrigerante primario. Estos fluidos tienen la ventaja de ser mejores conductores de calor que el aire, siendo posible obtener una mayor velocidad de enfriamiento. Se suelen emplear, además, sistemas para la agitación del medio refrigerante para ir ejorar la transmisión de ca- ior. Cuando el objetivo es enfriar los alimentos a temperaturas superiores a las de congelación puede emplearse agua fría y/o hielo. Pero si se desea alcanzar una temperatura inferior se re­ quieren soluciones ele compuestos con un pun­ to de congelación por debajo de 0 °C. En el cuadro 10.12 se indica la concentración y la temperatura eutécticas de algunas de las solu­ ciones más empleadas en la industria alimenta­ ria para estos fines. Existen ciertas limitaciones en cuanto a los posibles refrigerantes que se pueden emplear, sobre todo para el procesado de alimentos sin envt.sar. Es necesario que ca­ rezcan de toxicidad, que no impartan a los ali­ mentos olores, sabores o colores anómalos y que los restos que puedan permanecer en el producto sean aceptables. Si los productos es­ tán envasados, el refrigerante ha de ser compa­ tible con el material del envase. Los métodos basados en líquidos criogéni­ cos, en contraste*con los mencionados hasta ahora, no dependen de ninguna instalación fri­ gorífica. Los líquidos criogénicos se diferencian de los refrigerantes secundarios indicados en el apartado anterior en que cambian de estado al absorber del alimento el calor latente necesa­ rio. La principal ventaja que tiene el enfria­ miento criogénico es su gran rapidez, porque el salto térmico entre el producto y el líquido criogénico es muy grande. El refrigerante, ade­ más, coatacta intimamente con todas las partes CuAOtO 10.12. Valore» «atáctico» de alguno» eampueuo» empleado» haóilualmente en la industria alimentaria coma re­ frigerante» secundario». ComptMsio Canea rtradón •u láctica |%1 ftmparalura ■utácrica (*Q Cloruro sódico 22.4 -21 .2 Cloruro caldco 30,0 -51 ,0 Cloruro magnésico 22,0 -32 .a Sacarosa 52,ó -9 .5 Gl ¡coral 07,0 -4 7 ,0 Propilanglicol 60,0 -5 1 ,0 del alimento, sin que las formas irregulares su­ pongan un prooiema. Esto hace que los coefi­ cientes globales de transmisión de calor sean extraordinariamente favorables. El poder refri­ gerante de estos compuestos es grande porque el valor del calor latente de cambio de estado también es relativamente elevado. Un inconve­ niente de la congelación muy rápida es qu: los productos frágiles pueden resquebrajarse, e in­ cluso estallar, cuando contactan con los líqui­ dos criogénicos durante un período de tiempo prolongado como consecuencia de tensiones internas derivadas de contracciones y expan­ siones no homogéneas. De los líquidos criogénicos más habituales, el COj tiene la ventaja sobre el N , líquido de tener un punto de ebullición superior a presión atmosférica, siendo menor el choque térmico que sufren los alimentos. Un inconveniente del CO, es que puede ser absorbido por los pro­ ductos sin envasar y, al combinarse con el agua, genera ácido carbónico, modificando el pH y sabor del alimento. Es necesario, además, un tiempo de reposo antes de su envasado para evitar hinchamientos indeseables (1 g de nieve carbónica se transforma en 0 ,5 1 de gas). 10.6.1. Equipos empleados pera la refrigeración La mayoría de los equipos empleados en la industria alimentaria para la refrigeración de los alimentos sólidos emplean aire en movi­ miento (convección forzada) como medio de enfriamiento (figura 10.17). Los principales problemas de la refrigeración con aire son la deshidratación de los productos y la posibili­ dad de que se congelen si la temperatura del aire es inferior a 0 °C. Entre las aplicaciones pueden citarse la refrigeración de carne, diver­ sas frutas y productos envasados. La convec­ ción forzada también se emplea durante el transporte de los productos refrigerados. En al­ gunas vitrinas y mostradores de exposición en los comercios, el aire frío se mueve tan sólo por convección natural. FiGUIA 10.17. Eiquama da la sección fransversal de una cámara de refrigera­ ción. las flachas indican el movimiento del aire en e) interior de la cámara. Fuente: Gruda y Postolski (198Ó). Los alimentos líquidos (por ejemplo, leche, zumos) pueden enfriarse en intercambiadores de calor de placas mediante agua fría y los pas­ tosos (por ejemplo, mantequilla, margarina) en intercambiadores de calor de superficie barri­ da, por contacto directo con superficies metáli­ cas frías. El empleo de agua fría (próxima a 0 ®C) pa­ ra la inmersión o el rociado de tos alimentos (hidroenfriqmiento) es una alternativa simple, económica y rápida. Es de gran utilidad para productos de pequeño tamaño y muy indicado para frutas y hortalizas, trasladándose incluso el equipo al punto de recogida (hidroenfriadores). También puede aplicarse a productos de poco espesor envasados en materiales impermeables al agua. El enfriamiento con hielo picado o mezclas de agua-hielo también es efectivo si se realiza adecuadamente, siendo su principal apli­ cación la refrigeración de pescado. Un método -da refrigeración muy rápido y económico es el enfriamiento a vacia. Es ade­ cuado para alimentos porosos y con una eleva­ da relación superficie/volumen que permitan que el vapor de agua escape fácilmente (por ejemplo, lechuga). Los alimentos se introducen en una cámara y al aplicar vacío (0,5 kPa) se enfrian por la evaporación del agua. La reduc­ ción de la temperatura es proporcional a la can­ tidad de agua evaporada, unos 5 ®C al reducirse la humedad en un 1%. Las lechugas, por ejem­ plo, pueden refrigerarse a 0 °C aproximada­ mente en unos 25 minutos. Cuando los produc­ tos tienen una temperatura inicial elevada y pueden retener agua es habitual rociarlos con ella previamente. También es útil para la refri­ geración de productos precocinados si se con­ trola la presión empleada para no modificar su textura. El principal inconveniente es el coste del equipo. El rociado con compuestos criogénicos re­ duce la temperatura de los alimentos rápida­ mente sin provocar problemas de deshidrata- ción. La nieve carbónica si se aplica en exceso puede incluso contribuir a mantener la tem­ peratura del producto durante su transporta El Nj líquido es útil para mantener una tem­ peratura adecuada en los vehículos refrigera­ dos, al evaporarse y enfriar el aire, el cual se distribuye uniformemente mediante ventilado­ res. Los compuestos criogénicos también se emplean en la elaboración de embutidos para mantener una baja temperatura durante el pi­ cado y la mezcla de ingredientes. Durante la elaboración de productos con múltiples capas diferentes, éstas se endurecen con la aplicación de C 0 2 para acelerar el proceso. 10.6.2. Equipos empleados para la congelación A) Congelación por aire El equipo más sencillo son las cámaras fri­ goríficas con aire estático {sharp freezers) en las que el aire (-20 a -30 *C) se mueve solamente por convección natural. Como el coeficiente global de transmisión de calor es pequeño y la velocidad de congelación muy lenta, la pérdida de calidad de los productos congelados de esta forma es significativa. Normalmente no son adecuadas para la congelación, excepto para las canales de carne, aunque sí lo son para el almacenamiento de los productos congelados por otros métodos. Tienen la ventaja de que, con tan sólo disponer ventiladores en el inte­ rior del recinto, mantienen una temperatura muy constante. Los congeladores de aire forzado (blast free­ zers) permiten una congelación más rápida porque el aire frío circula a grandes velocida­ des, normalmente a 1-6 m s_l, aunque pueden llegar a alcanzar los 10-15 m s*'. La convección forzada del aire aumenta notablemente el coe­ ficiente global de transmisión de calor. Los equipos de funcionamiento discontinuo, en los que el alimento se dispone en carretillas, son similares al mostrado en la figura 10.17 y habi­ tualmente sólo se emplean cuando se quieren congelar pequeños volúmenes de alimentos. Los túneles de congelación permiten la ope­ ración en continuo, tienen un bajo coste de funcionamiento y pueden procesar una gran variedad de productos. Los alimentos suelen transportarse en bandejas apiladas en vagone­ tas que se mueven por raíles a lo largo del tú­ nel y/o mediante cintas sinfín (figura 10.18). El movimiento del aire en estos túneles puede ser paralelo al del alimento (en el mismo sencido o en e! contrario) o, más frecuentemente, per­ pendicular. Uno de tos principales inconve­ nientes de este sistema es que los alimentos no envasados pueden sufrir quemaduras por frío (por la elevada velocidad y la baja humedad relativa del aire y por la gran diferencia de temperatura entre el alimento templado y el ai­ re frío). Para evitarlo es conveniente emplear aire saturado de humedad o rociar el alimento con agua en la zona de carga para que se forme una capa de hielo que lo proteja (figura 10.18.b). Los congeladores en espiral se diseñaron pa­ ra aumentar la capacidad de congelación sin necesidad de emplear grandes espacios (figura 10.19). Los productos se disponen en una cinta transportadora metálica flexible y autoapilable, que describe una trayectoria en espiral. El flujo del aire suele ser en contracorriente con res­ pecto al producto, con lo que mejora la eficien­ cia de la transmisión de calor. Tienen la ventaja a) Sacctfn tongHudM Entrada da producto •u**° Cinta transportadora Vantladofa» . . . ------------ .sL -h zz Puerta Salida da producto V 7 Evaportdores proom Salida da carros b) Sección transversal FIGURA 10.18. Túnel de congelación da Friclt, con cinto transportadora y corros para el transporte de los olimentos: a) sección longitudinal y b) sección transversal. de funcionar automáticamente y manejar pro* ductos muy diversos. Los congeladores de techo fluidizado se pueden considerar como una modificación de los túneles de congelación de aire forzado. Se emplean para alimentos de tamaño pequeño y uniforme (por ejemplo, marisco, guisantes, fre­ sas, frutas y hortalizas troceadas, etc.) que se disponen en artesas con el fondo perforado (fi­ gura 10.20). El flujo de aire frío (-25 a -3 5 °C) es perpendicular y atraviesa hacia arriba el le­ cho del producto (2-13 cm de espesor). La ve­ locidad del aire es tal que las partículas se man­ tienen en suspensión, separadas unas de otras y rodeadas individual y completamente de aire frfo. La gran superficie de alimento en contacto con el medio de enfriamiento y el flujo turbu­ lento permiten que ia velocidad de congelación FIGURA 10.19. Esquema de un congelador en espiral en el que se muestra el movimiento de la cinta transportadora. sea muy rápida. A diferencia de los sistemas anteriores, en los que normalmente se obtie­ nen bloques de productos congelados, la con­ gelación en lecho Quidizado tiene la gran ven­ taja de permitir obtener productos IQF (indivi- dually quick fro ten = congelados rápida e individualmente), que se pueden manejar más fácilmente por ejemplo para su dosificación. El aire, además de enfriar los alimentos, sirve co­ mo medio de transporte del producto. Cuando la forma o el tamaño del producto no permiten la fiuidización completa (por ejemplo, los file­ tes de pescado), se emplean instalaciones muy similares a ésta con un flujo de aire transversal al producto, que tan sólo ocasiona una ligera elevación del lecho del producto. Para el trans­ porte del alimento a lo largo de la instalación se emplea entonces una cinta transportadora perforada. Estos equipos son muy compactos y tieneri una producción muy elevada. B) Congelación p o r contacto Uno de los diseños más clásicos es el con­ gelador de placas (figura 10.21). En ellos el alimento se d spone sobre placas paralelas y huecas, por cuyo interior circula el fluido re­ frigerante. El conjunto de placas se dispone en el interior de una cabina o armario aislado. Para alimentos sólidos y productos envasados las placas suelen ser horizontales. Una vez cargado el producto entre las placas, se suele aplicar una ligera presión para mejorar el contacto entre el alimento y las superficies frías; los espaciadores evitan que el producto esté som etido a una presión excesiva. Este mayor contacto del alimento con las placas mejora el coeficiente de transmisión de calor y la velocidad de congelación. Estos conge­ ladores pueden funcionar en continuo si se acoplan dispositivos para la carga y descarga automática del producto. Son muy empleados para filetes de carne y pescado (planos y de poco grosor), porque además la deshidrata- ción' del producto es mínima, y para produc­ tos envasados. Los congeladores de placas verticales son adecuados para alimentos a granel que se pue­ dan deformar, quedando el producto congela­ do en un bloque. Un ejemplo típico es el pesca- a) Sección tongitucSnal Entrada da mataría prima Saldada producto congelado ÍKtlVM» i f f f í m i i T f ü a E vaporadoras Ventiladores b) Sección transversal FIGURA 10.20. Esquema de un conge­ lador de lecho Auidizodo: a) sección longitudinal y b) sección Ironsversal. en la que se muestra el sistema de desescarche del evaporador. Rociador de Evaporador FIGURA 10.21. Esquema de un con­ gelador de placas horizontales de Funcionamiento discontinuo. Fuente: Brennan, Butters, Cowell y Lilley (1990). Paquetes de producto Placas de congelación por donde arcilla el refrigerante Topes de separación Aislante do, para el cual existen incluso instalaciones a bordo de los barcos. Para los productos líquidos o pastosos (he­ lados, purés, etc.) se emplea un equipo diferen­ te, los congeladores de tambor o de superficie rascada (figura 10.22). Su diseSo es similar al de los intercambiadores de calor, diferencián­ dose en que por su interior drcuia un fluido re­ frigerante. Sobre la superficie del tambor se deposita una capa muy fina del producto, que se congela muy rápidamente y se separa de la superficie mediante una cuchilla rascadora. Normalmente los productos se congelan hasta que adquieren una consistencia pastosa, siendo entonces bombeados para ser distribuidos en recipientes, que pasan a continuación a cáma­ ras de almacenamiento donde se completa la congelación (por ejemplo, los helados). C) Congelación por inmersión Aunque en sentido estricto la congelación por aire debería considerarse como una forma de congelación por inmersión, este término se reserva para el empleo de refrigerantes distin­ tos del aire. Producto liquidoi FiCURA 10.22. Esquema de un congelador de superficie rascada. En los sistemas de congelación por inmersión el alimento es transportado por una cinta sinfín en un baSo de refrigerante que circula a con­ tracorriente (figura 10.23). Las salmueras pue­ den emplearse para pescado y las soluciones de azúcar o glicerol para frutas, pero no son ade­ cuados para alimentos en los que no sea acepta­ FlGURA 10.23. Esquema dm un congelador por inmersión. ble un sabor salado o dulce, respectivamente. El uso del propilenglicol, que tiene un sabor desa­ gradable, se limita a productos envasados. Las principales ventajas de la congelación por inmersión son un contacto fntimq del ali­ mento o envase con el refrigerante, el procesado rápido de piezas irregulares, el mantenimiento de la calidad en alimentos sensibles a la oxida­ ción y a la deshidratación al evitar el contacto con el aire, la obtención de productos IQF y un coste reducido. Las aplicaciones industriales, sin embargo, se limitan generalmente a productos envasados. En la actualidad sólo es de destacar su empleo para la congelación de pescado a bor­ do y de zumos de cítricos concentrados y enva­ sados. Otra de las aplicaciones industriales es la precongelación rápida de aves envasadas a va­ cío, con la que se forman un gran número de pe­ queños cristales de hielo en la superficie que dan un aspecto más blanco al producto congelado. D ) Congelación criogénica El equipo empleado para la congelación criogénica consiste en túneles de funciona­ miento continuo divididos en secciones y do­ tados de cintas sinfín de malla metálica para el transporte del producto, de bocas de asper­ sión para los compuestos criogénicos y de un sistema de ventilación suave para homogenei- zar la distribución del fluido en el túnel. En ia figura 10.24 se muestra un esquema de un con­ gelador criogénico con nitrógeno. Los alimen­ tos se rocían con nitrógeno líquido en la zona de congelación (B), descendiendo la tempera­ tura de su superficie rápida y drásticamente. A continuación, pasan a una zona (C) donde su temperatura se estabiliza, igualándose la tem­ peratura interna con la de la capa externa. El último paso es el escarchado, que se logra ro­ ciando con agua y aprovechando el frío resi­ dual del alimento (D ). La temperatura final del alimento, aproximadamente -1 8 *C, es adecuada para su almacenamiento y su super­ ficie está protegida frente a la deshidratación •por el glaseado. Es fundamental que el diseño de la instala­ ción sea tal que el nitrógeno contacte con el alimento en estado liquido, de otra forma per­ dería la capacidad refrigerante del cambio de Rodadores FlGtíRA 10.24 . Congelodor criogénico de N , líquido. A, zono de preenfriamiento; B, zono de congelación; C, zona de equilibrado; y D, zono de escarchada. estado. El N . gas formado a -196 ”C retiene una gran capacidad de enfriamiento, que se aprovecha haciéndolo pasar a la zona de entra­ da del producto (A) para preenfriarlo. D e esta forma el choque térmico del producto al con­ tactar con el nitrógeno líquido en la zona de congelación es menor. El objetivo es paliar uno de los principales problemas de la congelación criogénica: el daño mecánico causado por las tensiones internas derivadas de contracciones o expansiones bruscas y no homogéneas de las distintas parte; del producto. Las principales ventajas que supone la con­ gelación con compuestos criogénicos son una velocidad de congelación muy rápida y la ob­ tención de productos IQF, de gran calidad. El alimento se encuentra en una atmósfera inerte que evita las o «daciones superficiales. Por otra parte, el equipo necesario es sencillo, tanto de instalación co n o de funcionamiento, y de bajo coste capital. Una de las principales aplicaciones es la congelación de productos de alto valor añadi­ do, en los que la mayor calidad compensa el mayor coste de obtención. La congelación crio- - génica es especialmente adecuada para produc­ tos que tienen una gran relación supertlcie/vo- lumen, en tos que la difusión interna del calor no restringe la transferencia de calor del ali­ mento al medio de enfriamiento (por ejemplo, filetes de pescado, marisco, filetes de carne, em butidos en rodajas, etc.). También se em­ plea para obtener una corteza congelada y du­ ra que facilite su posterior manejo, envasado o procesado en algunos alimentos blandos (hela­ dos, pescado, pasteles). La congelación criogé­ nica con freón 12 era muy adecuada para pro­ ductos pegajosos y termosensibles (como pasta de carne o tomate en rodajas). Para evitar la absorción excesiva de refrige­ rante en los alimentos que tienen una estructu­ ra porosa, indeseable tanto por la contamina­ ción del alimento como por la pérdida de refri­ gerante, éstos pueden sumergirse previamente en agua para que se forme una fina capa de hielo que actúe como una barrera. E ) Congelación por métodos combinados Para reducir los costes de la congelación y mejorar la calidad de los productos congelados se han desarrollado congeladores criogénicos combinados con algún método mecánico. Una alternativa consiste en emplear una unidad de congelación criogénica que congele la superfi­ cie del producto, seguida inmediatamente de una congelación mecánica para reducir la tem­ peratura de la masa total del producto al nivel deseado. Los productos delicados (como fresas o mariscos) o pegajosos quedan protegidos frente al daño mecánico, la exudación y la pér­ dida de aromas, manteniéndose su calidad ori­ ginal, con la congelación criogénica inicial que endurece su superficie. La segunda etapa de congelación mecánica contribuye a la eficacia y a la reducción de costes de la congelación en su conjunto. Un ejemplo de esta combinación es el sistema CrustoFreeze desarrollado por Fri- goscandia y A G A AB (Suecia) con un precon- gelador de nitrógeno lfquido, que reduce nota­ blemente las pérdidas por deshidratación y por daño mecánico y asegura la obtención de pro­ ductos IQF. La segunda alternativa consiste en aplicar la congelación criogénica tras una primera etapa de congelación mecánica. Esto aumenta consi­ derablemente el rendimiento de los congelado­ res normales, porque en éstos el gradiente de temperatura entre la superficie del producto y el medio de enfriamiento es relativamente pe­ queña en las fases finales, aminorándose la ve­ locidad de congelación. 10.6.3. Selección del método y del equipo de congelación A la hora de seleccionar el método de conge­ lación para un determinado producto hay que considerar tanto la velocidad de congelación adecuada para que mantenga su calidad (según su composición, tamaño, forma y envasado) co­ mo el coste de operación. La importancia de la velocidad de congelación depende en gran me­ dida de la composición global del alimento (cua­ dro 10.13). La velocidad de la congelación esta­ rá determinada no sólo por las propiedades del alimento, sino también por la eficacia de la transmisión de calor desde el alimento al medio de enfriamiento, es decir, por el coeñciente glo­ bal de transmisión de calor. En el cuadro 10.14 se comparan los distintos métodos de congela­ ción según la eficacia de la transmisión de calor y se muestran los tiempos de procesado que re­ quieren algunos alimentos representativos. Considerando la velocidad de congelación como la diferencia de temperatura entre la ini­ cial y la final dividido por el tiempo total em­ pleado en la congelación se distinguen: a) Congelación lenta: £ 2 aC min*1 (conge­ ladores de aire estático). b ) Congelación rápida: 10-100 aC min*1 (congeladores de aire forzado). c) Congelación ultrarrápida: 1.000-10.000 aC min*' (congeladores criogénicas). La velocidad de congelación a menudo tam­ bién se expresa como la velocidad a la que avanza el frente de congelación desde la super­ ficie del producto (donde se inicia la congela­ ción) hacia su centro térmico. Según esto, los sistemas de congelación se pueden clasificar de la siguiente forma: a) Congelación lenta: < 0,2 cm h*‘ (congela­ dores de aire estático y cámaras de alma­ cenamiento en congelación). b) Congelación semirrápida: 0,5-3 cm h'1 (congeladores de aire forzado, túneles de congelación y congeladores de placas). x ) Congelación rápida: 5-10 cm ir 1 (conge­ ladores de lecho fiuidizado, de superficie rascada y de inmersión). d) Congelación ultrarrápida: 10-100 cm b*‘ (congeladores criogénicos). A excepción de la congelación lenta, el resto se pueden considerar satisfactorios para la ma- C u c.ro 10.13. Cía tífica; ir. da fot elimentos según la in­ fluencia que tiene la velocidad da congelación* en tu calidad. GRUPO I: Producto» con «levada extracto leco: guisante», carnet con alto contenido en grata, algunas comidas preparadas, etc. la velocidad da congelación no tiene influencio en la calidod final GRUPO 2: Pescado, come magra, algunos alimentos preparados y listos la velocidod de congelación debe ser » 0.5-1 *C min-1 para tu consumo que contienen almidón GRUPO 3. Fresas. zanahorias. judies, lo velocidad de congelación materiales gelatinosos debe ser > 3-Ó *C min'1 como ovoproductot y salsas a bate de harina GRUPO 4: Productos con poco extracto Es muy conveniente el empleo taco: tomates, pepinos, de abas velocidod»» de frambuesas, etc. congelación * le velocidsd de congelación te refter» o le rapidez con que Asmé nvye le temperatura desde la» 0 *C halla la» -2 0 *C Fuente: Srerwon, SuUen, Covxl y UUy (1990). yoria de los alimentos. Las frutas y hortalizas mantienen su calidad con cualquiera de los mé­ todos descritos, siendo frecuente el empleo de congeladores de placas para productos envasa­ dos y congeladores o túneles de aire forzado y de lecho fiuidizado para obtener productos IQF. La calidad de aquellas frutas y hortalizas que tienen una estructura frágil suele ser mejor con una congelación rápida. El pescado tam­ bién se puede congelar mediante cualquier sis­ tema, siendo importante que el producto alcan­ ce ios -18 aC en 2 horas o menos. En las aves es fundamental una congelación rápida, de al me­ nos la superficie de la canal, para que tengan un color adecuado. Esto se puede lograr con una primera etapa de congelación por inmersión o criogénica, que se completa con congelación con aire forzado. En las piezas de carne debe evitarse la congelación lenta, para reducir en lo CuaoiO 10.14. Coreperoción ¿e d versos métodos de congetceión según u coeficiente de transmisión da caler. i . -. iprwooo Coeficiente de transmisión d« calor (W «se* K**} Aturante Tiempo aproximado para la aongeloción a -1«*C . Air* «itálico 6-9 Canales pequeña i Canales groadas 3 horas 3 dios Air* o S « i«"' 2530 Guisantes a granel 20 minutas Congelador «a espiral 25 Hamburguesa i, palios de pescado 15 minutas lacho Ruidirodo 90-140 Guisantes a granel P áfilos de pescodo 4 minutas 15 minutos Congelador de plocai too Honalzas (envasadas; 1 teg) Pescado (bloques, 25 kg) 25 minutos 75 minutos Congelador de superficie rateado Helado (1 mm espesor) 0.5 minutos Inmerúón «n freón 500 Guisantes Hamburguesas 0,5 minutas 5 minutas líquidos criogénico» |N, liquido] 1.500 frutas y hortalizas Pan (0.5 kg) Hamburguesas 0,5 a 6 minutas 1,5 minutos 4 minutas fvtmt: Adaptado da felows |I994). postble las pérdidas por goteo. Si el tamaño de estas piezas no es uniforme es conveniente con­ gelarlas con aire forzado y si es uniforme se pueden emplear congeladores de placas. Para mantener la calidad de la carne también es ade­ cuado el empleo de compuestos criogénicos. Finalmente, durante la aplicación de frío se han de considerar dos situaciones con distintos requerimientos. Por un lado, cuándo se debe eliminar calor del alim ento para reducir su temperatura inicial a la deseada para su alma­ cenamiento en refrigeración o congelación. Es­ to debe ocurrir lo más rápidamente posible pa­ ra reducir el deterioro del alimento y requiere el empleo de cámaras de preenfriamiento de gran potencia. Por otro lado, durante el alma­ cenamiento, transporte y distribución en refri­ geración o congelación el principal objetivo es mantener una temperatura constante, compen­ sando las continuas pérdidas de frío. Las cáma­ ras empleadas para este fui habitualmente son de mayor tamaño y menor potencia. 10.7. Descongelación La correcta descongelación de los alimentos es también una operación muy importante, pu- diendo ser una de las causas de la pérdida de calidad y rendimiento, asi como una fuente po­ tencial de deterioro de los productos congela­ dos. No se debe olvidar que los productos con­ gelados son con frecuencia un sistema de reser­ va de materia prima en la industria alimentaria, por lo que es fundamental una descongelación correcta que no merme su calidad. La descongelación se considera finalizada cuando la temperatura del centro térmico del alimento alcanza los 0 °C. En algunas ocasiones no es necesario descongelar completamente el producto y se admite un atemperado, con el que se alcanzan temperaturas más bajas (-5 *C). Cuando los productos van a ser picados o tro­ ceados mecánicamente son incluso más mane­ jables en este estado que el de completamente descongelados. Aunque la descongelación es el proceso in­ verso de la congelación, existen diferencias signi­ ficativas entre ambas. Aplicando el mismo gra­ diente térmico, la descongelación es mucho más lenta que la congelación por dos motivos. En pri­ mer lugar, porque la conductividad térmica del hielo (2 25 W nr* K'1 a 0 °C) es cuatro veces su­ perior a la del agua (0.57 W m'1 K"1 a 0 *C). Du­ rante la descongelación lo primero que se fun­ de es la capa superficial de hielo del alimento. Esta capa de agua formada tendrá menor con­ ductividad y difusividad térmica que el hielo original, reduciéndose notablemente la veloci­ dad de transmisión de calor hacia el interior del alimento. Este fenómeno se acentúa a m e­ dida que transcurre la descongelación. En la figura 10.25 puede apreciarse la diferencia de velocidad entre la congelación y la desconge­ lación de latas conteniendo un gel de almidón al aplicar el mismo gradiente térmico. Mien­ tras que el centro térmico se ha congelado a los 28 minutos, su descongelación completa re­ quiere 52 minutos. En segundo lugar, no se pueden emplear gradientes de temperatura de gran magnitud entre el medio de calentamiento y el alimento congelado, para evitar el calentamiento excesi­ vo de las capas externas y el crecimiento de mi­ croorganismos. Mientras que durante la conge­ lación los gradientes de temperatura pueden llegar a ser de casi 200 ®C, durante la desconge­ lación rara vez son superiores a los 100 *C. La evolución completa de la temperatura en el centro térmico durante la congelación y des­ congelación de las latas con geles de almidón anteriormente mencionadas se muestra en la fi-. gura 10 26. Durante la descongelación también se aprecian tres etapas claras. En la primera eta­ OESCOHGELACtÓN — Tiempo: 4 min 20 min 30 min Posición F ig u ra 10.25. Secuencia de la congelación y de la descongelación de latas conteniendo geles de almi­ dón las zonas sombreadas indican el material con­ gelado. Las flechas alrededor de los circuios repre­ sentan la dirección de la transmisión de calor. El re gislro de la temperatura, realizado con cuatro termopares. se muestra en las gráficas inferiores, la posición de los termopares está indicada en el pri­ mer circulo. Fuente: Fennema (1987). pa (AB) la temperatura del producto aumenta rápidamente (atemperado), porque no hay agua superficial y el hielo actúa como un buen con­ ductor del calor. La siguiente etapa (BC).es mu­ cho más prolongada y se corresponde con la aproximación de la temperatura del producto al punto de fusión. En el momento en que co­ mienza la fusión de la capa superficial de hielo Te Tipo (minutos) FlGUXA 10.26. Evolución d a la temperatura en el centro geométrico de las latas del ejemplo de la figura 10.25 durante su congelación \r descongelación. Fuente: Fennema [1987], la velocidad de transmisión de calor, y por lo tanto la descongelación, disminuye notablemen- te. A partir del punto C, cuando todo el hielo se ha fundido, la temperatura aumenta hasta igua­ larse con la del medio decalencamiento. D e la comparación de ambas curvas destaca que la principal diferencia se encuentra justo por debajo de la temperatura de fusión (ligera­ mente inferior a 0 °C). Esta zona es la más des­ favorable para los alimentos, como anterior­ mente se había indicado: a) La elevada concentración de solutos en solución favorece las reacciones quími­ cas y enzimáticas. b) Los cristales de hielo se agrandan, modi­ ficando la textura del alimento. c) Se produce una pérdida de componentes en el exudado (pérdidas por goteo), es­ pecialm ente de los hidrosolubles como las vitaminas. d) Se favorece el crecimiento de los micro­ organism os psicrotrofos que, además, encuentran en et exudado un medio de crecimiento óptimo por su contenido en nutrientes; también pueden crecer mi­ croorganismos patógenos, si los hubiera originalmente en el alimento y hubieran sobrevivido durante el almacenamiento. De lo dicho anteriormente se deduce que es conveniente descongelar los productos lo más rápidamente posible. Aunque la calidad de los alimentos puede disminuir bastante durante la descongelación, hay que tener en cuenta que su duración es significativamente inferior a la del almacenamiento en congelación. Es decir, en la mayoría de los productos congelados se considera que la principal causa de pérdida de calidad se debe al almacenamiento en congela­ ción más que a las modificaciones que se pue­ dan producir durante su descongelación. Los alimentos que han de cocinarse para su consumo (hortalizas, carnes, etc.) se pueden descongelar directamente mediante inmersión en agua hirviendo. Las frutas no toleran el em­ pleo de temperaturas tan altas y deben descon­ gelarse a temperatura ambiente o en refrigera­ ción. Para carne y pescado, sobre todo las pie­ zas de gran tamaño, se recurre al empleo de bajas temperaturas; si se emplea agua caliente o temperatura ambiente ha de limitarse a cor­ tos períodos de tiempo para evitar e! creci­ miento de microorganismos. 10 .7 .1. Métodos de descongelación Para reducir al mínimo los cambios produci­ dos durante la descongelación, cualquier méto­ do de descongelación debe cumplir los siguien­ tes requisitos: a) Evitar el calentamiento excesivo del pro­ ducto. b) Reducir al mínimo el tiempo de la des­ congelación. c) Evitar una deshidratación excesiva, si se emplea aire. Teniendo en cuenta la forma en que se su­ ministra la energía térmica necesaria para la descongelación se pueden considerar dos gran­ des grupos: A) Métodos por calentamiento exterior Estos métodos pueden emplear como foco caliente aire, agua o vapor de agua. La descongelación con aire frío (4 ’C) re­ quiere tiempos extremadamente largos (hasta días) y ocasiona una gran exudación del pro­ ducto. Lo más habitual es realizar la desconge­ lación con aire ftitzado, modificando las condi­ ciones a lo largo del tiempo. Al principio se emplea aire a 16-20 °C con una humedad rela­ tiva elevada (85-100%) para evitar la deshidra­ tación superficial del producto (si no está enva­ sado). Cuando la capa superficial del producto /tempera tura m edí» de.fí * f) se ha descongela­ do se aplica aire más frió (4-5 *C) con una hu­ medad relativa del 60%, para enfriar y secar la superficie del producto, evitando el crecimien­ to de microorganismos. La descongelación con agua corriente sólo es adecuada para alimentos envasados a vado y, en algunas ocasiones, para pescado entero, por el riesgo de contaminación cruzada. Para controlar el crecimiento de microorganismos, la tempera­ tura del agua no debe exceder los 20 aC. La descongelación en cámaras a vacío consis­ te en condensar vapor de agua a 13-20 *C sobre la superficie de los alimentos en el interior de una cámara a vacío. La condensación favorece la transmisión de calor en la superfide del ali­ mento con respecto a los dos métodos anterio­ res. Como inconveniente puede citarse que la superficie del producto queda humederida, por lo que sólo es aplicable a pescado y a productos que se vayan a transformar a continuadón. B) Métodos dieléctricos (calentamiento óhmico, dieléctrico y microondas) A diferencia de los anteriores, estos méto­ dos generan el calor dentro del mismo pro­ ducto y son, con diferencia, mucho más rápi­ dos. No dependen de la transmisión de calor dei medio de calentamiento a la superficie del alimento por conducción. Además, la depen­ dencia de la conducción de este calor hacia el interior del alimento es mínima, si el produc­ to no tiene un gran espesor. El prindpal pro­ blema que presentan deriva de la falta de ho­ mogeneidad de los alimentos (con porciones congeladas y descongeladas) y de la diferente interacción de las ondas electromagnéticas con el agua Ifquida y el hielo. La energía de estas ondas es absorbida preferentemente por el agua líquida. Es decir, la zona superficial descongelada actúa como una barrera absor­ biéndolas v calentándose, mientras que la pane interna permanece congelada. Este de­ fecto se puede paliar mediante la aplicación de pulsos intermitentes y la combinación con aire frío. Bibliografía BRACKETT, R. E (1992): “Microbiological safety of chilled foods currcnt issues”. Trends in Food Science and Technology, 3:81-85. BRENNAN, J. O., BUTTERS, J. R.. COWELL N. D. y LILLEY. A E. (1990): Food engineering ope- rations. 3* ed Elsevier Applied Science. Londres. FELLOWS. P. (1994). Tecnología del procesado de los alimentos: Principbs y prácticas. Acribia. Za­ ragoza. FENNEMA, O. R. (1975): Physical principies offo- od preservarían. M. Karel. O. R. Fennema y D. B. Lund (eds.). Marcel Dekker. Inc. Nueva York. FENNEMA. O. R. (1996): Food Chemistry. 3* ed. O. R Fennema (ed.). Marcel Dekker. Inc. Nue­ va York. GEORGE. R. M. (1993): “Freezing processes used in the food industry”. 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La refrigeración y la congelación consisten en reducir y mantener la temperatura de los ali­ mentos a valores superiores o los de su punto de congelación (de -1 a 8 *Q y por debajo del mismo, respectivamente. En el último caso, industrialmenle se utilizan temperaturas inferio­ res a -1 8 *C. Estos procesos retrasan o detie­ nen el crecimiento de microorganismos, la acti­ vidad metabólica de los tejidos animales y vegetales y las reacciones químicas y enzimáti- cas. La congeloción, además, reduce notable­ mente la aw de la fase líquida del alimento. 2. la refrigeración amplia la vida útil de los ali­ mentos durante periodos relativamente cortos. Aunque es eficaz para detener el crecimiento de la mayoria de los microorganismos presen­ tes en los alimentos, permite b multiplicación de la microbiota psicroírofs que es la que p.-e- volece en b s alimentos refrigerados. 3. La congelación permite ompliar la vida útil de los alimentos durante periodos de tiempo más largos que lo refrigeración, las bajas tempero- turas empleadas en este caso determinan la for­ mación de cristales de hieb. El número, tamo- ño y formo de estos cristales dependen de lo velocidad de enfriamiento y son responsables de algunas modificaciones que se producen en b s alimentos congelados. 4. la vida útil de los alimentos congelados está limitado por ciertas reacciones químicas y enzi- máticos (por ejemplo, b autooxidación lipidica, que puede progresar incluso en estas condicio­ nes), asi como por fenómenos da recristalizo- ción y sublimación del hielo. El vobr HOL indi­ ca el tiempo durante el cual el producto alma­ cenado en congelación mantiene su calidad original. La temperatura de transición vitrea (TJ es un importante parámetro que se debe const- derar en la conservación de los alimentos con­ gelados, porque morca un cambio brusco en su estabilidad. 5. Los sistemas para la producción industrio! da írio pueden ser fundamentalmente de dos tipos: I) mecánicos, basados en al empleo da fluidos refri­ gerantes (amoniaco y freones) en circuitos cerro- dos, y 2| criogénicos, que hocen uso de fluidos criogénicos (CO} y N2) en sistemas abiertos. ó. El cálculo de las necesidodes energéticos de la refrigeración y la congelación requiere conocer ciertas características del alimento, como el contenido en agua, su punto de congelación y algunas propiedades térmicos (color especifico antes y después de lo congelación y calor laten­ te de fusión). 7. Los métodos de refrigeración y congelación basados en el empleo de sislemds mecánicos uti­ lizan como medio de enfriamiento oiré, superfi­ cies frías o líquidos, siendo el primero el más uti­ lizado por su polivalencia. El enfriamiento crio­ génico, aunque tiene mayor coste, permite obte­ ner alimentos de gran calídod por la mayor velo­ cidad a lo que se produce el enfriamiento. 8. Unas alternativas económicamente viables para la refrigeración de algunos alimentos son el hidroenfriamiento y el enfriamiento o vacio. Otra posibilidad es el empleo de líquidos crio­ génicos. 9. Entre los equipos más habituales poro la refri­ geración y congetoción en la industria alimen­ tario pueden citarse aquellos que emplean aire frío: vitrinas y mostradores de exposición en comercios, cámaras frigoríficas y congeladores con oiré estático o forzado, túneles de conge­ lación, congeladores en espiral y congeladores de lecho fiuldizado. Entre los que se basan en el empleo de superficies frías se encuentran los ¡ntercambiodores de calor de plocas o de superficie barrida y los congeladores de placas horizontales, de placas verticales y de tambor o superficie rascada. En los congeladores por inmersión, el enfriamiento se consigue con Rui­ dos distintas ol oiré: aguo fría, salmueras, solu­ ciones azucaradas o Ruidos refrigerantes. Algunos equipos combinan algún método mecánico con la congelación criogénica. La elección del equipo está condicionada por las características del alimento y por el coste de operación. TO. La descongelación es una operación funda­ mental pora evitar la pérdida de calidad de ios alimentos congelados antes de su empleo o consuma. El tiempo requerido para ello es generalmente superior al necesario para su congelación, dados las diferencias en conducti­ vidad y difusividad térmica del agua y del hielo y la imposibilidad de aplicar un elevodo gra­ diente de temperatura. La descongelación se puede llevar a cabo por calentamiento exterior o por métodos dieléctricos. 11 CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS BASADA EN LA MODIFICACIÓN DEL pH, ATMÓSFERA Y ACTIVIDAD DE AGUA. EVAPORACIÓN Y DESHIDRATACIÓN Este capítulo trata de diversos procedimientos para aumentar la vida útil de los alimentos. Se hace referencia al efecto del pH y de la aw en los agentes alterantes de los alimentos y al empleo de las tecnologías de at­ mósferas modificadas. Por otra parte, se estudian las operaciones de eva­ poración y deshidratación de alimentos, haciéndose mención a los proble­ mas que plantea la rehidratación o reconstitución de los productos deshi­ dratados. Finalmente, se analiza la deshidratación osmótica como otro método de reducción de la »w de los alimentos. 11 . 1 . pH Una buena pane de los alimentos frescos son ligeramente ácidos (pH 5,0-6,5), como las car­ nes, pescados y algunos productos vegetales; al­ gunos tienen un pH bastante ácido (< 5,0), co­ mo la mayoría de las frutas (alrededor de 4,0) y, de forma especial, los cítricos (3,0-3,5); otros están próximos a la neutralidad, como la leche (6,8) y sólo algunos, como la clara de huevo (9,6) presentan un pH alcalino. La acidificación, por su efecto inhibidor del crecimiento micro­ biano, ha sido un método que se ha utilizado desde tiempos remotos para ampliar la vida útil de muchos alimentos y se ha llevado a cabo de forma natural, al fermentar espontáneamente la materia prima (leches fermentadas), o intencio­ nada mediante la adición de ácidos débiles (es­ cabeches). El ¿ajo pH es, a veces, el factor fun­ damental (yogur) o único (vinagre) de la con­ servación del alimento acidificado, pero otras veces su efecto se combina con otros agentes, como refrigeración (yogur), calor (algunos esca­ beches enlatados), baja aw (embutidos), etc. Se conoce muy bien la respuesta de los di­ ferentes microorganismos frente al pH del m e­ dio; la mayoría de las bacterias crecen óptima­ mente a un pH próximo a la neutralidad aun­ que también pueden hacerlo sin muchas dificultades en el intervalo 5-8 pero por debajo de 5,0, su crecimiento se inhibe marcadamente y difícilmente se multiplican a un pH de 4,5. Existen notables excepciones, como las bacte­ rias acéticas, que tienen su pH óptimo entre 5,4 y 6,3 y su pH mínimo se sitúa en valores de alrededor de 2,8, y algunas bacterias lácticas, cuyo pH óptimo está en torno a 5,5-6,0 y el mí­ nimo alrededor de 4,0. Los mohos y las leva­ duras, en cambio, pueden multiplicarse de for­ ma general a valores del pH más bajos que las bacterias, algunas especies incluso a un pH de 1,5-2,0. Sin embargo, en la zona alcalina, leva­ duras, mohos y bacterias cesan de crecer a va­ lores del pH similares, habiéndose registrado para algunas especies valores máximos de al­ rededor de 11,0. Aunque se sabe, como antes se ha comenta­ do, el efecto del pH en el crecimiento micro­ biano, las investigaciones realizadas hasta el momento no han aclarado con certeza el meca­ nismo de acción. Las bacterias poseen bombas de protones ligadas a la membrana, fuerza pro- tonmotora, que expulsa protones del citoplas­ ma para generar un gradiente electroquímico de protones. Los valores de esta fuerza protón- motora son 'mayores en los microorganismos respiratorios que en los fermentativos. Cuando el pH interno es bajo puede crear problemas en la célula, que intenta regular su pH interno, habiéndose observado que aquellos microorga­ nismos (bacterias acidófilas. levaduras, mohos) que toleran bien un pH externo bajo, tienen también un pH interno bajo, lo que representa una ventaja selectiva frente a microorganismos no tolerantes, incapaces de generar un gra­ diente de pH significativo. Por otra parte, las células microbianas tienen una cieña capaci­ dad tampón proporcionada por las cadenas la­ terales áridas y básicas de las proteínas y por los grupos fosfato de los ácidos nucleicos. No obstante, dicha capacidad es finita y puede ser vencida, por ejemplo, en presencia de altas concentraciones de áridos débiles. Además, la regulación del pH interno implica también un control de la permeabilidad de la membrana a los protones externos que se gobierna median­ te la actividad del sistema d.e transporte de io­ nes. Parece ser que la magnitud del efecto inhi­ bidor del pH del medio está relacionado con la capacidad que el microorganismo tenga de ex­ pulsar los protones internos y la de rechazar ios externos. No todos los ácidos son igualmente eficaces para inhibir el crecimiento microbiano. En es­ te sentido, se ha observado, por ejemplo, que para disminuir la velocidad de crecimiento de Siaphylococcus aureus en leche es necesario bajar el pH hasta 5,2 si se usa ácido acético, hasta 4,9 y 4,7 si se acidifica, respectivamente, con láctico y cítrico y hasta 4,6 si se hace con clorhídrico. Similares resultados se han obteni­ do con otras especies muy diferentes a la ante­ ñor, específicamente con Sabnonella typhimu- rium y Clostridium botulinum. De forma gene­ ral, puede decirse que los ácidos fuertes, que ocasionan un pH externo muy bajo, no presen­ tan una gran permeabilidad a través-de la membrana y, en consecuencia, su acción dele­ térea proviene del efecto desnaturalizante del bajo pH sobre las enzimas presentes en la su­ perficie celular y de la posible entrada de pro­ tones al interior que puede producir una baja­ da del pH interno. Por el contrario, los ácidos débiles lipófilos son más permeables y, una vez en el interior, bajan el pH interno; sin embar­ go, ia porción no disociada de tales ácidos pue­ de también ejercer efectos específicos en el metabolismo celular, lo que amplía las accio­ nes deletéreas. 11,1.1. El pH y b s microorganismos alterantes Las bacterias no esporuladas son los princi­ pales agentes que ocasionan la alteración de los alimentos frescos de origen animal. Como to­ dos ellos se someten a refrigeración antes de su consumo o procesado sólo se hará referencia a la alteración de los mismos en estado refrigera­ do. El pH ejerce poco efecto, si alguno, en el ti­ po de bacterias que se multiplican en la leche cruda refrigerada, ya que todas las que aleato­ riamente llegan al producto crecen bien al pH (6,8) de la misma; son, en este caso, las bajas temperaturas las que seleccionan las bacterias aerobias Gram negativas que es la microbiota que prevalece. Sin embargo, el pH sí influye en la alteración de otros productos, como la carne y el pescado. En la carne de pH normal (alrede­ dor de 3,5) son, igualmente, las bacterias aero­ bias Gram negativas, principalmente las pseu- domonas, las que predominan pero, en cambio, un pH algo mayor (5,9-6,S), como ocune en el pescado, marisco y carne de aves, permite el crecimiento de una bacteria muy sensible al pH, Shewanella putrefaciens, que es responsable, junto a las pseudomonas, de la alteración de es­ tos productos (véase volumen II, apartados 9.2.2 y 12.1). En alimentos más ácidos (pH < 4,5) prevalecen bacterias Gram positivas, exis­ tiendo algunas, como los (adobadlos, que son particularmente resistentes t los áddos débiles no disodados, como el láctico y el acético. Por debajo de un pH de alrededor de 3,2, sólo pue­ den multiplicarse los mohos y las levaduras. La germinadón de esporas bacterianas de­ pende del pH del medio. Por ello, en los trata­ mientos térmicos esterilizantes este factor ad­ quiere gran importancia, hasta tal punto que los alimentos destinados a la fabricación de conservas se han clasificado, atendiendo al pH que presentan, en poco ácidos (pH > 4,5), áci­ dos (pH 4,5-4,0) y muy ácidos (pH < 4,5) de­ pendiendo de que puedan germinar todo tipo de esporas, no pueda germinar las de Clostri- dium botulinum y no pueda hacerlo ninguna espora, respectivamente (véase apartado 8.3). Otras veces, se conjuga el pH con otros ágentes, como la aw y nitritos, para inhibir la germinación de ciertas esporas bacterianas. 11.1.2. El pH y los microorganismos patógenos Algunos microorganismos patógenos, como las salmonelas, pueden controlarse con pH re­ lativamente bajos (< 4,5) pero para otros, co­ mo los coliformes y otros patógenos, se requie­ re un pH más bajo o combinarse con otros agentes, de forma particular la aw. Por ejemplo, a medida que ésta desciende se necesita un pH menos bajo para inhibir el crecimiento de Sta- phylococcus aureus y la producción de sus en- terotoxinas. Igualmente, la eficacia de los tratamientos térmicos está relacionada con el pH del ali­ mento. Ya se ha comentado en el apartado an­ terior el caso de CL botulinum. Cuando se trata de bacterias no esporuladas la situación es si­ milar, puede decirse, de forma general, que la termorresistencia de estos microorganismos disminuye a medida que el pH se desvía del óptimo de crecimiento, siendo el descenso ma­ yor en la zona ácida. '11 ,2 . A tm ósferas La vida útil de la mayoría de lo> alimentos (carne, pescado, frutas y hortalizas productos de panadería, etc.) es muy limitada en presen­ cia de aire; se debe al oxígeno atmosférico, ya que en su presencia se multiplican rápidamente los microorganismos aerobios, se producen re­ acciones químicas oxígeno-dependiente y pro­ gresan velozmente los fenómenos respiratorios en frutas y hortalizas. Desde hace muchos años se sab; que dis­ minuyendo la concentración de oxígeno y/o aumentando la de dióxido de carbono se consi­ gue ampliar la vida útil de los alimentos pere­ cederos. El cambio en la composición de la at­ mósfera que rodea a los alimentos ccnlleva el almacenamiento de los mismos en contene­ dores, cámaras o envases con la atmósfera se­ leccionada. En el pasado, las tecnologías de conservación en atmósferas distmtas al aire se empleaban en grandes almacenes, para el transporte en contenedores y en la distribución en grandes volúmenes. Estas aplicaciones toda­ vía continúan pero las~tcndencias actuales se dirigen hacia la adaptación de dichas tecnologí­ as a los últimos tramos de la distribución de ali­ mentos, como, por ejemplo, a nivel de comer­ cio minorista o envasado en porciones para el consumo directo. Las preferencias crecientes de los consumidores hacia alimentos con una apariencia natural, frescos o mínimamente pro­ cesados unidas al gran avance experimentado por los materiales poliméricos han influido po­ derosamente en el desarrollo que las tecnolo­ gías de atmósferas modificadas han experimen­ tado en las dos últimas décadas y que han posi­ bilitado el suministro al detalle ds un buen número de alimentos. Conviene diferenciar entre envasado en at­ mósferas controladas, modificadas y a vacio. La atmósfera controlada consiste en el uso de una atmósfera con una mezcla de gases determina­ da que se mantiene constante durante todo el periodo de almacenamiento; se utilizan nor­ malmente para el almacenamiento de grandes cantidades de producto, como las cámaras que se emplean para ampliar la vida útil de las manzanas y peras. La atmósfera modificada y el envasado a vacío implican el uso de envases, normalmente de plásticos, impermeables a los gases. En el caso de la atmósfera modificada se cambia inicialmente la atmósfera gaseosa de acuerdo con las necesidades previstas para to­ do el almacenamiento; las actividades metabó- licas del alimento y de los microorganismos presentes ocasionarán un cambio en la compo­ sición de la mezcla gaseosa original. El envasa­ do a vacío es una modalidad de atmósfera mo­ dificada en el que se evacúa el aire del interior del envase sin que sea sustituido por otro gas. Se han ensayado diversos gases para com­ probar su capacidad de ampliar la vida útil de los alimentos perecederos, pero las atmósferas más utilizadas están compuestas por proporcio­ nes diferentes de dióxido de carbono y oxígeno que se suplementan, cuando se requiere, con nitrógeno como gas de balance. La modificación de la atmósfera se utiliza para ampliar Ja vida útil tanto de alimentos de origen vegetal como de animal. No obstante, el objetivo en uno y otro caso es distinto. En los alimentos de origen vegetal (frutas y hortalizas) la modificación de la atmósfera está destinada a inhibir tos fenómenos de envejeci­ miento post-recoleccíón. En presencia de aire, durante la respiración de frutas y hortalizas se consume oxígeno y se generan dióxido de car­ bono y pequeñas cantidades de etileno; e$te gas acelera los fenómenos de envejecimiento. Aunque todas las frutas y hortalizas tienén un nivel determinado de tolerancia a las bajas concentraciones de oxígeno y elevadas de dió­ xido de carbono, se puede decir, de forma ge­ neral, que al disminuir la concentración de 0 2 por debajo del 8% y hasta los límites de to­ lerancia' (4-2%) decrece significativamente la generación de etileno. D e forma similar, al aumentar la concentración de C 0 2 hasta valo­ res por debajo del nivel de tolerancia (5-15%) de cada especie hortofrutícola disminuye la ve­ locidad de respiración. Estas condiciones pro­ vocan cambios importantes en el metabolismo que se traduce en la ampliación de la vida útil. El efecto de estas atmósferas en los microorga­ nismos es muy reducido, salvo alguna excep­ ción; por ejemplo, las fresas toleran cantidades elevadas de CO,, pudiéndose inhibir el desa­ rrollo de mohos. En los alimentos de origen animal (carne, pescado, mariscos), la aplicación de atmósferas modificadas se combina con la refrigeración. En estos productos siempre se enriquece la at- mósfeta con CO, (20-80%) independientemen­ te de la composición del resto de la misma, que variará dependiendo del tipo de carne o pesca­ do. El CO, inhibe de forma eficaz la microbio- ta alterante que en estos productos son las bac­ terias aerobias Gram aegativas. Estos aspectos se tratan más ampliamente en el volumen II, capítulo 9. Aquí sólo se analizará, de forma re­ sumida, el efecto inhibidor del C 0 2 en el creci­ miento microbiano. A pesar de las muchas investigaciones que se -han realizado, no se ha establecido aún el mecanismo por el que el C 0 2 inhibe el creci­ miento de ciertos microorganismos. No obstan­ te, se han emitido diversas hipótesis. Una de las primeras explicaciones atribuía la acción inhibidora del C 0 2 a que desplazaba todo o parte del oxígeno disponible para el me­ tabolismo microbiano. Sin embargo, pronto se descartó al observarse que el CO, inhibía tam­ bién a algunas bacterias anaerobias y que en atmósferas de nitrógeno la inhibición era me­ nor que cuando se utilizaba C 0 2. Una segunda explicación atribuía el efecto inhibidor del C 0 2 al descenso del pH en el in­ terior de la célula microbiana ai ingresar en su forma no disociada previa disolución en la fase liquida dei memo. No obstante, ras mvestiga- ciones realizadas en medios de cultivo con un pH normalizado (5,8) en el que se sembraron ciertas especies bacterianas (Achromobacter sp., Pseudomonas, sp. y Badilas sp.) mostraron que la inhibición era mayor en atmósferas de aire que en las de C 0 2. También se observó que otros ácidos que ocasionaban una acidifi­ cación similar eran menos eficaces o no inhi­ bían el crecimiento en el grado en que lo hacía el C 0 2. Una teoría alternativa defiende que el CO-, como los iones bicarbonato, podrían modificar las interacciones entre la célula y el entorno al afectar a la estructura de la membrana plasmá­ tica, habiéndose observado que los iones bicar­ bonato influían en la disposición molecular de la ¡nterfase entre los lípidos y el agua, produ­ ciéndose una hidratación de la membrana con un incremento de la permeabilidad de la mis­ ma. En consecuencia, se alteraba el balance de los procesos metabólicos entre el interior de lu célula bacteriana y su entorno. Otra hipótesis sugiere que el C 0 2, una ve;: en el interior de la célula, interfiere directa o indirectamente con diversos fenómenos meta­ bólicos, como una mayor velocidad de forma­ ción de succinato, una inhibición de la activi­ dad oxalato descarboxilasa y/o una aceleración de la actividad ATPasa mitocondrial que reper­ cute en la fosforilación oxidattva dando lugar a un menor nivel de energía disponible. Cabe concluir, pues, que no se sabe con cer­ teza cuál es el mecanismo de acción del C 0 2; todas las explicaciones que se han dado po­ drían estar implicadas en el proceso, pero se ig­ nora qué acción sería la de mayor trascen­ dencia. Finalmente, los efectos citados no se presentan en todos los géneros y especies mi­ crobianas y diversas cepas de la misma especie podrían verse afectadas por diferentes condi­ ciones del medio en que se hallen. 11.3. Actividad de agua ( a j E l concepto de e w-y-su importancia en los alimentos se ha explicado en el capítulo 2. Des­ de el punto de vista microbioiógico, la aw refle­ ja el agua disponible por los microorganismos para su crecimiento. La mayoría de los micro­ organismos crecen óptimamente a elevados va­ lores de am (0,98-0,995) aunque hay notables excepciones. A medida que desciende la aw desde la óptima de crecimiento se observa que se modifica la gráfica de crecimiento microbia­ no (figura 11.1): aumenta la fase de latencia, disminuye el tiempo de generación (fase expo­ nencial) y la masa celular total que se alcanza es menor hasta que la fase de latencia es infi­ nita y, entonces, cesa el crecimiento. Este efec­ to se debe a que al disminuir la aw los solutos e iones fijan agua del medio y los coloides hidró­ filos establecen puentes de hidrógeno con ella quedando, en definitiva, menos agua disponi­ ble para las actividades microbianas. Al tiem­ po, el agua de composición de los microor­ ganismos tiende a salir de su interior por fe­ nómenos osmóticos, alterándose la fisiología microbiana. Cuando la aw es lo suficientemente baja (por ejemplo, productos congelados, des­ hidratados) desaparece el agua disponible para los microorganismos. El cese del crecimiento microbiano se pue­ de conseguir en dos situaciones límite: ausencia total de solutos, agua pura, cuya awt s 1, y a una aw suficientemente baja, cuyo valor es dis­ tinto para cada microorganismo. Los microorganismos se defienden frente al descenso de la aw tratando de equilibrar la ten­ sión osmótica que se establece entre el exterior y el interior. Para ello, el microorganismo des­ vía el metabolismo (figura 11.2) generando sus­ tancias osmóticamente activas que no son tóxi­ cas para él; se denominan solutos compatibles. Los solutos compatibles que las bacterias utili- 2 Horas Figura 11.1. Efecto de lo o,, en el crecimiento de Staphyhcoccus áureos. zan habitualmente son ácido glutámico cuando la am no es todavía muy baja (por ejemplo, del orden de 0,95) y prolina y ácido y-aminobutírí- co a valores inferiores (figura 11.2). Las bacte­ rias halófilas utilizan, como soluto compatible, K* y las levaduras y mohos otras sustancias, co­ mo manitol (por ejemplo, Geotrichum, Aspergí- llus, Penicillium) o glicerol (por ejemplo, Sac- charomyces y Debaromyces). La capacidad de un determinado microorganismo de ingresar del medio o sintetizar solutos compatibles y la I FOSFOENOLPIRUVATO a - CETOGLUTARATO Y - AMINOBUTÍRICO FIGURA 1 1.2. Mecanismo de defensa de los microorganismos frente al descenso de lo ow. cuantía de los mismos determina la facultad de multiplicarse en un medio con una reducida aw. En la figura 113 puede observarse el efecto general de la aw en el crecimiento microbiano. La mayoría de los microorganismos erícen óp­ timamente a valores elevados de aw (0.98- 0,995) y, de forma general, las bacterias son las menos tolerantes a los descensos de la am, pu- diendo algunas crecer hasta una aw de alrede­ dor de 0,85 (por ejemplo, los micrococos). des­ pués las levaduras entre las que ciertas especies pueden multiplicarse incluso a valores de 0,7 e inferiores y, finalmente, los mohos en los que se ha registrado el valor mínimo de am (0,61) a que un microorganismo (Xeromyces bisporum) puede desarrollarse. No obstante, existen algu­ nas excepciones de este comportamiento gene­ ral, como los microorganismos que crecen en medios secos o salados. Tradicionalmente, es­ tas microbiotas se han denominado: a) Bacterias halófilas; son aquellas que re­ quieren sal en el m edio para su creci­ miento (aunque realmente lo que acu­ mulan en su interior es K") y soportan valores de aw de hasta 0,75. b) Microorganismos osmófilos; crecen en hábitats con altas presiones osmóticas y toleran valores de aw de hasta 0,62-0,64. Este término se aplica habitualmente a levaduras que se desarrollan en presencia de elevadas concentraciones de azúcar. c) Microorganismos xerófilos; son mohos que crecen rápidamente en medios rela­ tivamente secos, con una aw inferior a 0,85 y hasta 0,61. Este término, respecto a la aw, es sinónimo al de osmófilos. Actualmente, es más correcto referirse a to­ dos los microorganismos que toleran bajas aw en virtud del valor de dicho parámetro, excep­ to, quizás, las bacterias halófilas que incluso ya no se denominan como tales sino que se encua­ dran dentro de las arquebacterias, muy distin­ tas a las bacterias. 11.3.1. aw y microorganismos alterantes y patógenos La aw de los alimentos frescos y procesados es uno de los factores que determina su carác­ ter perecedero o estable, así como la microbio- ta capaz de multiplicarse en los mismos. Igual­ mente, influye en los tipos de microorganismos patógenos que pueden desarrollarse. Con arre­ FtGUíA 11.3 Reloción entre la owy el crecimiento microbiano y la velocidod de diversas reacciones. glo a este factor, los alimentos se han clasifica­ do de la forma siguiente: A ) Alimentos con aw>0,98 A este grupo pertenece la mayoría de los alimentos frescos: carne, pescado, leche y otras bebidas, frutas y hortalizas. A temperatura am­ biente, la mayoría de los microorganismos pre­ sentes crecen velozmente. No obstante, al­ gunos de estos alimentos, de forma particular leche, carne y pescada, se someten invariable­ mente a refrigeración hasta su consumo o pro­ cesado. En estas condiciones y bajo aerobiosis prevalecen bacterias aerobias Gram negativas, fundamentalmente pseudomonas y otras bacte­ rias afines. En refrigeración y vacío son las bac­ terias lácticas las que dominan. Si el pH es bajo puede dominar otro tipo de microbiota, como en los cítricos, donde prevalecen los mohos. La mayoría de los microorganismos patóge­ nos crecen fácilmente aunque otros agentes o factores pueden influir en la multiplicación de unos u otros. Por ejemplo, en aerobiosis existe' el riesgo de la presencia de especies de los gé­ neros Salmonella, Shigella, Escherichia, etc., y en anaerobiosis pueden multiplicarse Cl. per- fringens y Cl. borulinum. En el pescado es típi­ co Vibrio parahaemolyticus. El pH es otro fac­ tor de gran importancia; así, las esporas de CL borulinum no pueden germinar en anaerobiosis si el pH del alimento es inferior a 4,5. B) Alimentos con aw0,98-0,93 Los alimentos que pertenecen a este grupo son: leche concentrada, carnes curadas (jamón cocido, mortadelas, salchichas, etc.), carnes y pescados ligeramente salados (concentración máxima de sal del 10%), quesos frescos, pan y frutas en almíbar (concentración máxima de sacarosa del 50%). A estos valores de am se in­ hibe el crecimiento de las bacterias Gram ne­ gativas y dejan el paso a las Gram positivas (Bacillaceae, Lactcbacillaceae, Microccocace- ae). Otros agentes pueden actuar sinérgica- mente, como conseivadores, pH, etc. Por ejem­ plo, en carnes curadas, adicionadas de sal y ni­ tritos, no germinan las esporas bacterianas. En ciertos productos, como el pan, la alteración corTe a cargo de monos o Bacillus mesencericus. A estas aw se inhibe el crecimiento de sal- monelas, Cl. botulinum y otras bacterias pató­ genas; el efecto se acentúa si coexisten condi­ ciones desfavorables de otros agentes, como el pH y la temperatura. En relación con los pató­ genos, el peligro más importante lo constituye el crecimiento de Saphylococcus aureus. A de­ más, en estos alimer tos existe un mayor riesgo de la elaboración de micotoxinas por mohos. C) Alimentos con aw 7,93-0,85 Dentro de cite grupo se encuentran alimen­ tos más deshidratados o con una gran concen­ tración de solutos, romo los embutidos ma­ durados, jamón serrano, cecina, quesos muy madurados, leche condensada, etc. Los micro­ organismos alterantes que pueden crecer son, entre las bacterias, los cocos Gram positivos (Microccocaceae) y les mohos y levaduras. Por ejemplo, en leche condensada (a , próxima a 0,85) pueden desarrollarse levaduras del géne­ ro Torula y, si hay oxígeno, diversas especies de mohos. Scaphylococcus aureus puede multiplicarse pero no produce enterotoxinas. El riesgo sani­ tario procede de las micotoxinas elaboradas por los mohos. D) Alimentos con aw 0,35-0,60 A este'grupo pertenecen los alimentos de­ nominados!/A/F (alimentos de humedad inter­ media). Cabe citar a los frutos secos, cereales, harinas, mermeladas, pescado muy salado (ba­ calao), nueces, almendras, etc. Los microorga­ nismos alterantes que pueden multiplicarse en estos productos son bacterias halófila:; en los alimentos salados y en el resto mohos r.erófilos y levaduras osmófilas. Estos alimentos son seguros desde el punto de vista sanitario; no crece ninguna bacteria patógena y los mohos pueden multiplicarse pe­ ro no producir micotoxinas. E) Alimentos con a . < 0,60 Los alimentos que presentan a.inferiores a 0,60 son, por ejemplo, dulces diversos, chocola­ te, leche en polvo, miel, galletas, patatas fritas, etc. Son productos microbiológicament: esta­ bles; no puede crecer ningún microorganismo. 11.3.2. la o . y las reacciones químicas y bioquímicas E l efecto de la o , en diversas reacciones que ocurren en los alimentos se muestra en la figura 11.3. Todas las curvas son orientativas, dado que tanto la velocidad de la reacción co­ mo la forma de la curva pueden variar depen­ diendo de la composición, estado físico y es­ tructura del producto, asi como de (a atmósfe­ ra (sobre todo oxígeno) y temperatura del entorno del mismo. La curva relativa a la autooxidación tipídica es, quizás, la más llamativa. A valores de la a . muy bajos (del orden de 0,1), la velocidad de la reacción es elevada pero al aumentar lige­ ramente la a . disminuye rápidamente hasta alcanzar un mínimo a valores de 0 ,3 -0 .4 para aumentar de nuevo hasta una o . de alrededor de 0,8, manteniéndose después al mismo nivel nes que se han ofrecido a este comportamiento son las siguientes: se cree que el mínimo que se observa a muy bajas a . se debe a que la poca agua presente liga hidroperóxidos impidiendo su descomposición y, en consecuencia, se inhi­ be el proceso oxidativo, o a que dicha agua, al hidratar iones metálicos, impide que éstos ac­ túen como catalizadores de la reacción. El in­ cremento que se observa a partir de aw de 0,3- 0,4 puede deberse a que, al existir más agua, las macromoléculas pueden expandirse dejan­ do expuestos más sitios para interaccionar con el oxígeno; esta'acción se vería favorecida por una mayor disolución del oxígeno. Finalmente, a valores de la am por encima de 0,8, la veloci­ dad del proceso autooxidativo puede disminuir algo al diluirse los catalizadores de la reacción. Las reacciones de pardeamiento no enzimá- tico (reacción de Maillard) muestran un com­ portamiento casi paralelo al de los procesos au- tooxidativos a elevados valores de la a . pero a medida que disminuye ésta decrece la veloci­ dad de la reacción hasta detenerse completa­ mente a valores inferiores a 0,25. La velocidad del pardeamiento no enzimático es máxima en los productos de humedad intermedia (am de 0,6 a 0,85); por encima de estos valores la velo­ cidad del proceso disminuye a causa de la dilu­ ción de las sustancias potenciadoras de la reac­ ción o por una inhibición de la abundante agua presente al ser ésta uno de ios productos de la reacción. La reducción de la velocidad del pro­ ceso por debajo de aquellos valores se debe a la menor difusión primero e inmovilización más tarde de las sustancias reactivas. Por otra parte, la energía de activación de tas reacciones de pardeamiento no enzimático aumenta a me­ dida que la a . disminuye, lo que contribuye también a retardar el proceso a bajas a .. La mayoría de las reacciones enzimáticas dependen íntimamente de la a .. Estas reaccio­ nes, una vez que han empezado a manifestarse (« .d e 0,2 a 03), siguen un curso casi paralelo a la isoterma de sorción de agua. El agua actúa como un disolvente y medio de reacción. Ea consecuencia-la velocidad de la reacción irá aumentando a medida que lo hace la a ^ obser­ vándose una aceleración a elevados valores de la a ., ya que la cantidad de sustrato disuelto es mayor y puede movilizarse fácilmente para ea- trar en contacto con las enzimas. Las lipasas constituyen una excepción ya que son activas a muy baja « . e incluso en un alimento congela­ do; este comportamiento se ha explicado en base a que, en este caso, el contacto entre sus­ trato y enzima no requiere una fase acuosa co­ mo vehículo porque los lipidos se difunden en la fase grasa y las enzimas actúan en las interfa- ses lipídicas. La aw, además de en el crecimiento y reac­ ciones químicas y bioquímicas, influye podero­ samente en la textura de los alimentos; en algu­ nos casos este efecto no es sólo favorable sino necesario como ocurre en las patatas fritas y en las palomitas de maíz, que no podrían presen­ tar la textura típica si no fuera por la baja aw. Lo mismo ocurre para evitar la formación de agregados en leche en polvo o café instantá­ neo. Sin embargo, en otros productos es total­ mente desfavorable, como ocurre en el bacalao que, aparte del sabor salado, presenta una tex­ tura inadecuada para su consumo directo. Lo mismo se podría decir de otros alimentos como las sopas deshidratadas o la leche en polvo que, al igual que el bacalao, se requiere su rehidra- tación antes de su uso. Son diversas las operaciones de conserva­ ción que se basan en el descenso de la aw. A continuación se estudian cada una de ellas y se describen los equipos que se emplean. 11.4. Concentración de los alimentos por evaporación La evaporación consiste en concentrar los alimentos líquidos por ebullición, lo que la di­ ferencia de otros métodos de concentración (capítulo 12). El objetivo principal de la evaporación es aumentar la concentración de sólidos totales para reducir la aw y contribuir asi a su conser­ vación. No obstante, persigue también: a) La concentración de b'quidos previa a la aplicación de otras operaciones (deshidra- tación, congelación, esterilización). Este procedimiento facilita el procesado y per­ mite un ahorro considerable de energía. b) La reducción del peso y del volumen de los alimentos para facilitar y abaratar los costes de transporte, almacenamiento y distribución. c) Facilitar el empleo y diversificar la oferta de productos. I I . 4.1. Fundamentos de la evaporación La evaporación, como procedimiento de eliminación del agua por ebullición, necesita de un medio de calentamiento que transmita el calor requerido para el cambio de estado (calor sensible y calor latente de evaporación). En la Industria Alimentaria normalmente se utiliza como fluido calefactor vapor de agua saturado ( vapor primario) que se condensa ce­ diendo su calor latente al produdto que se eva­ pora. Se trata por io tanto de un intercambio de calores latentes (de condensación y de eva­ poración). La operación tiene lugar en evapo- radores dotados de cambiadores de calor. La velocidad de evaporación depende de la trans­ ferencia de calor y de la transferencia de masa relacionada con la liberación de vapor de agua del alimento ( vapor secundario). La velocidad global de transferencia de calor (Q ), desde el medio de calentamiento al líquido de ebulli­ ción, a través del cambiador de calor habitual­ mente se denomina carga calorífica y viene da­ da por la expresión: Q = U A ó T (U .l) en la que U es el coeficiente global de transfe­ rencia de calor, A corresponde al área de expo­ sición y óT es la diferencia de temperatura en­ tre el medio de calentamiento y el líquido tra­ tado. Para calcular el grado de concentración, la carga calorífica requerida y el tiempo de eva­ poración es necesario efectuar los balances de materia y energía (figura 11.4). Si se asume que tas pérdidas energéticas (por convección y ra­ diación) en el evaporador son despreciables, el Vapor da agua (V ,) Salda de vapor (Vfe> liquido da almonUddn (Lf) (fracción de adidos xf ) Liquido producto (lp ) Condantado (|r*ccfdn da adidos xp) flGURA 11.4. Diagrama del balance de masa de un evaporodar de afecto simpla. balance energético establece que la cantidad de calor cedido por condensación del vapor pri­ mario es igual a la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura del líquido procesa­ do hasta el punto de ebullición, m is el calor re­ querido para pasar el agua a estado de vapor Calor de condensación de vapor = Calor sensible + Calor latente de evapora­ ción (del liquido tratado) por lo tanto: V sK e’ h ' M - Q + K * * i*1-2) donde Vt es la masa condensada de vapor pri­ mario (Kg s~*), Aw el calor latente de condensa­ ción del vapor primario, Lf la velocidad de flujo del líquido procesado (Kg s*1). cf el calor espe­ cífico medio del líquido procesado, 0, el punto de ebullición del líquido procesado (aumenta con el incremento de la concentración), B. la temperatura inicia! del líquido procesado, V, la masa de vapor producida en el evaporador o capacidad evaporadva (Kg s*1) y el calor latente de evaporación del liquido procesado. Si el calor cedido por la condensación del vapor se transfiere al liquido procesado: Vt X „ . Q = U A L T ( 113 ) El balance de masas establece que la masa que entra en el evaporador es igual a la masa de producto y de vapor que sale del mismo: h m V » * h siendo L . la velocidad de flujo del líquido pro­ cesado (Kg r*), con una fracción másica xf de sólidos, y Lf la velocidad de flujo del producto concentrado (Kg s~(), con una fracción másica xf és aiéiáos. Por tanto, L , ( l - x p . L r t l - x J + V ' (113) 7 1.4.2. Factores que modifican el punto dé ebullición y la transferencia de energía La fuerza motriz de la transferencia calórica en el cambiador de calor de un evaporador es la diferencia de temperatura entre e! medio de ca­ lentamiento y cl líquido a evaporar (A7). A me­ dida que aumenta la diferencia de temperatura aumenta, inicialmente, el coeficiente de transmi­ sión de calor. Al comienzo de la evaporación, el líquido sobrecalentado asciende por convección natural a la inferíase líquido-vapor y se produce una ebullición suave. Cuando ó T es elevada se producen burbujas de vapor en el seno del pro­ ducto, las cuales se dividen y producen agitación en el líquido eri su ascensión a la superficie. La ebullición en el interior del líquido (ebullición nucleada) es tanto más intensa cuanto mayor es Ó.Ty se acompaña de un considerable incremen­ to de la transfei encía de calor, hasta alcanzar un máximo a una ¿.T critica. Por encima de esta óT, la transferencia de calor disminuye como conse­ cuencia de la aparición de una película de vapor sobre las superficies de calentamiento que se opone al intercambio calórico. Utilizando i n mismo fluido calefactor, los evaporadores que trabajan a presión reducida presentan mayar diferencia de temperatura (debido ai descenso del punto de ebullición del líquido procesado). En general, los equipos de circulación natural son menos eficaces para la transferencia de calor que los de circulación forzada. Por tanto, la eficacia del evaporador depende de las condiciones de procesado y del diseño del equipo (por ejemplo, de la resisten­ cia térmica del material de construcción). Ade­ más de estos factores, la transferencia de calor en un evaperador puede estar condicionada por diversas causas: a) D epósito de residuos en las superficies del intercambiador de calor y formación de cos­ tras. Reduce considerablemente el valor de U y se debe a la adhesión y precipitación de sóli­ dos suspendidos en el líquido tratado (por desnaturalización proteica, precipitación de polisacáridos, etc.) sobre las paredes del cam­ biador de calor. Las elevadas temperaturas y una baja velocidad de flujo del líquido favore­ cen este fenóm eno. Por ello, los alimentos propensos a experimentar problemas de des­ naturalización y precipitación de componen­ tes se procesan en evaporadores de circu­ lación forzada, donde la acción de arrastre que ejerce la corriente del líquido al fluir rápi­ damente limita o impide la deposición de sus componentes. b) Película superficial. Se crea en tomo a la superficie de calentamiento del evaporador y constituye la mayor resistencia a la transmisión de calor. El grosor de esta capa puede reducir­ se utilizando sistemas mecánicos (evaporado- res de circulación forzada) que fuercen la cir­ culación del líquido en el interior del evapora­ dor y proporcionen un flujo turbulento. c) Viscosidad del alimento. Los coeficientes de transferencia de calor y la velocidad de cir­ culación de los líquidos en el evaporador, gene­ ralmente, disminuyen con el incremento de la viscosidad de los mismos. Puesto que, normal­ mente, la viscosidad de una solución aumenta con su concentración, a medida que avanza la evaporación disminuye la velocidad de transfe­ rencia de calor. d) Formación de espuma estable. Está favo­ recida por la presencia en el alimento de pro­ teínas y carbohidratos. Es frecuente, también, cuando la evaporación se realiza a presión re­ ducida y cuando la cabeza hidrostática es gran­ de. La espuma, además de disminuir la transfe­ rencia de calor, dificulta la separación de vapor y favorece que éste arrastre pane del concen­ trado en forma de finas gotitas. Para controlar su formación pueden utilizarse sustancias con actividad de superficie (agentes tensioactivos o detergentes). El objetivo de la evaporación es conseguir eliminar progresivamente el agua del alimento sin afectar las características de los solutos, de forma que por simple dilución del concentrado se obtenga un producto de características simi­ lares al original. Para ello, es necesario un ade­ cuado diseño de los evaporadores y un ajuste preciso de las condiciones de procesado. El punto de ebullición del líquido procesado de­ pende de diversos factores: a) Presión externa. U c líquido hierve cuao- do la presión de vapor que ejerce es igual a la presión externa a la que se halla sometido. La evaporación de alimentos suele realizarse a presiones reducidas para aminorar los daños originados por el incremento de temperatura. b) Concentración de solutos disueltos. En un evaporador el punto de ebullición del líqui­ do tratado se incrementa a medida que lo hace la concentración. Este cambio conduce a un descenso progresivo de la diferencia de tem ­ peraturas entre el agente de calentamiento y el producto, con la consiguiente caída de la velo­ cidad de transmisión de calor. La elevación del punto de ebullición con el aumento de la con­ centración puede estimarse mediante la regla de Dühring. Esta relación empírica establece que el punto de ebullición de una solución es función lineal del punto de ebullición det disol­ vente a la misma presión. Las gráficas de Dtlh- ring (figura 11.5) indican los puntos de ebulli­ ción de una solución a diferentes concentracio­ nes frente al punto de ebullición del disolvente puro a las mismas-presiooes. Dada la compleji­ dad de los alimentos, la relación de Dühring resulta difícil de aplicar, pero puede utilizarse a nivel orientativo. c) Presión hidrostátíca. La temperatura de ebullición del líquido tratado en un evapora­ dor varia con la profundidad. A cualquier nivel por debajo de la superficie libre, para comen­ zar la ebullición será necesario superar la pre­ sión dei medio y la correspondiente a la ejer­ cida por la columna de líquido situada por en­ cima del nivel considerado (presión o cabeza hidrostitica). Con el incremento de la tem ­ peratura de ebullición se reduce !a diferencia de temperaturas entre los medios de transmi­ sión de calor. El efecto de la presión hidrostátíca es m is pronunciado en los evaporadores de grandes dimensiones (de tubos largos, por ejemplo). En estos casos; para las determinaciones cuanti­ tativas suele considerarse el punto de ebulli­ ción medio determinado en la mitad de la altu­ ra alcanzada por el líquido en el evaporador. 10 30 50 70 90 110 130 150 170 Temperatura de «Oodkaán del agua (*C) Figura 11.5. Gráficas de Dühring para distintas disoluciones de hidróxido sódico. 11.4.3. Efecto en los propiedades de los alimentos Para reducir los daños debidos al incremen­ to de temperatura durante la evaporación, los equipos deben ajustarse para que las tempera­ turas de ebullición sean bajas y los tiempos de permanencia del producto en las zonas de ca­ lentamiento cortos. Para ello, se recurre al em­ pleo de evaporadores que operan a presiones reducidas y permiten un gran desarrollo super­ ficial (por ejemplo, evaporadores de película delgada). En algunos casos, para evitar un tra­ tamiento excesivo de los componentes de ios alimentos después de su concentración, éstos se enfrian rápidamente nebuüzándolos en una cámara. Las características sensoriales más afectadas durante la evaporación son el aroma y el color • Pérdida de aroma. La mayoría de los com­ puestos responsables del aroma, y en algunos ca­ sos del sabor, de los alimentos son más volátiles que el agua. Por tanto, durante la evaporación estas sustancias son arrastradas con el vapor de agua y el concentrado obtenido resulta total o parcialmente desaromatizado. En algunos casos, esta pérdida de sustancias puede resultar benefi­ ciosa al eliminarse volátiles desagradables (ca­ cao, leche). Las sustancias aromáticas deseables pueden separarse del vapor de agua por destila­ ción fraccionada y recuperarse en forma de esen­ cia que se incorpora al producto concentrado. •' Cambios de color. Los alimentos evapo­ rados generalmente presentan un color más in­ tenso, debido por una parte al incremento de la concentración de sólidos y a que la reducción de la «.favorece algunas reacciones químicas (pardeamiento no enzimático). 11.4.4. Equipos y aplicociones Los evaporadores presentan una serie de elementos básicos y otros auxiliares que permi­ ten disminuir el punto de ebullición e incre­ mentar el rendimiento económico. A ) Elementos básicos Un evaporador consta, al menos, de los si­ guientes componentes: 1. Un cambiador de calor que permite la transmisión de calor entre el fluido cale­ factor y el alimento. 2. Un separador en el que el vapor se sepa­ ra de la fase líquida concentrada. 3. Un condensador que permite eliminar el vapor de agua en forma de condensado. En los sistemas que operan a presión at­ mosférica este elemento puede omitirse. Los cambiadores de calor utilizados en los equipos de evaporación pueden ser muy diver­ sos (tubulares, placas, cónicos, etc.). En muchas ocasiones los evaporadores se clasifican aten­ diendo al tipo de cambiador que presentan y a la forma de circulación del líquido que se va a procesar en su interior. Éste será el criterio que se seguirá para la descripción de los equipos. Los separadores pueden ser simples espa­ cios que permiten que el vapor secundario se aparte del líquido concentrado. Algunas insta­ laciones presentan los denominados separado­ res de arrastre. Estos dispositivos son impres­ cindibles cuando la velocidad de evaporación es elevada. En estas circunstancias, el vapor de agua puede arrastrar gotitas del líquido en ebu­ llición, con las consiguientes pérdidas. Los se­ paradores de arrastre o deflectores se sitúan a la salida del vapor y pueden consistir en una sim­ ple lámina de choque, en un conjunto de lá­ minas inclinadas o estar formados por un en­ tramado de barras metálicas entrecruzadas. En algunas ocasiones se recurre al empleo de sepa­ radores de ciclón (capítulo 12, figura 12.10). En este caso, la mezcla de vapor y líquido pasa a un recipiente cilindrico por una entrada tan­ gencial. Por la acción de la fuerza centrífuga las gotas, más pesadas, son lanzadas hacia las pa­ redes y al perder energía cinética en la colisión escurren hacia la base. Ei vapor sale del siste­ ma por una chimenea superior. Los condensadores son elementos esencia­ les cuando la concentración se realiza bajo cierto grado de vacío para aminorar los daños por el incremento de temperatura. En un eva­ porador se liberan vapor condensable y gases incondensables (procedentes de la desgasifica­ ción de los alimentos y aquellos aspirados por el sistema). Para mantener las condiciones de presión, el vapor de agua se condensa mientras que los gases incondensables se eliminan con una bomba o un eyector. En la Industria A li­ mentaria, normalmente se utilizan condensado­ res de aspersión o de lluvia, dado que su insta­ lación es simple y barata. En éstos, el vapor se mezcla directamente con una lluvia de agua fría que se elimina, junto con el condensado, con una bomba o mediante una columna baro­ métrica. Esta última está formada por un tubo vertical de unos 10 m de altura conectado en su pane superior a la base de descarga del con­ densador, mientras que el extremo interior está sumergido en un cierre hidrostático. Paira man­ tener la presión de trabajo del evaporador, la altura de la columna hidrostática (distancia en­ tre el nivel del agua en el tubo y la superficie del cierre hidrostático) se ajusta automática­ mente a la correspondiente diferencia con la presión atmosférica. De esta forma, puede ex­ traerse el condensado sin romper el vacfo. Cuando el vapor condensable no puede mezclarse con agua se recurre al empleo de condensadores de superficie (tubulares, de pla­ cas). Éstos son mucho menos utilizados ya que requieren una instalación más costosa y tienen un elevado gasto de agua de enfriamiento. B) Equipos auxiliares En los sistemas que operan a presión redu­ cida se requiere un equipo adicional que, ade­ más de los condensadores de vapor, incluye las correspondientes bombas de vacío o eyectores de vapor. 1. Bombas de vacfo y eyectores de chorro de vapor. Para evacuar los evaporadores se em­ plean bombas de desplazamiento positivo y eyectores de chorro de vapor (figura 11.6). Es importante tener en cuenta que el equipo de vacío es responsable de la eliminación del siste­ ma de los gases no condensables. Otros equipos auxiliares, que pueden encon­ trarse en los evaporadores, tienen como objeti­ vo mejorar su funcionamiento al facilitar la eli­ minación del condensado del vapor primario. 2. Colectores de condensado y purgadores. Estos elementos son esenciales para que la transferencia de energía sea adecuada en los cambiadores de calor. Se trata de dispositivos que permiten controlar la salida de los conden- sados del vapor primario y de los gases inertes. La acumulación de agua en el interior de los cambiadores de calor disminuye el rendimiento del equipo puesto que, entonces, en parte de su superficie sólo se transmitirá calor sensible. El funcionamiento óptimo se produce cuando en el cambiador se transmite sólo calor latente de condensación, lo que implica que los conden- sados deben salir a una temperatura lo más próxima posible a la de pambio de estado. C) Sistemas de ahorro de energía La eliminación del agua de los alimentos por evaporación requiere un aporte considera­ ble de energía (2.2S7 kJ por kg de agua evapo­ rada a 100 °C), que generalmente se proporcio­ na con vapor de agua. Por tanto, es necesario utilizar equipos con un diseño adecuado y ajus­ tar las condiciones de proceso para reducir al mínimo la resistencia a la transferencia de ca­ Figura 11.6. Diagrama de un eyector de chorro de vopor de lase única. lor y evitar todo tipo de pérdidas de energía. Por otra parte, en la evaporación se obtiene un producto concentrado por liberación de vapor de agua, el cual contiene calor que puede utili­ zarse. Los métodos para la conservación de la energía en los sistemas de evaporación están basados, precisamente, en el aprovechamiento del calor contenido en el vapor extraído del ali­ mento y son fundamentalmente tres: 1. Efectos múltiples. Este método consiste en conectar diversos evaporadores (efectos) en­ tre sí, de forma que el vapor secundario produ­ cido en uno de ellos se utiliza como vapor pri­ mario (o fluido calefactor) en otro y así sucesi­ vas veces (figura 11.7). D e este modo, se consigue un sistema de n etapas o efectos. Cuando una masa m de vapor primario se con­ densa a nivel del primer efecto, se evapora aproximadamente una masa m de agua; esta masa de vapor liberado se condensará en otro evaporador distinto consiguiendo la evapora­ ción de una masa similar de agua. Por tanto, en conjunto, la masa de agua que se evapora es aproximadamente n x m, con un consumo ener­ gético en cada uno de ellos equivalente a m/n. El número de efectos de una instalación está determinado por el equilibrio entre el ahorro energético obtenido y el incremento del coste de la instalación. En la mayoría de los casos se utilizan instalaciones de 3 a 6 efectos, aunque existen equipos de hasta 9 efectos. Los sistemas de evaporación de efectos múltiples tienen cua­ tro formas básicas de operar: a) Alimentación hacia adelante o concurren­ te. Es el procedimiento más sencillo, barato y fácil de manejar, ya que no precisa bombas de alimentación entre los distintos efectos. En es­ te caso, el avance del líquido y el aprovecha­ miento del vapor producido se realizan en el mismo sentido (figura 11.7.a). De esta forma, el vapor secundario que sale de un evaporador A se utiliza como fluido calefactor del siguiente evaporador, en el que se trata el líquido pre- concentrado en el mismo efecto A y así sucesi­ vamente. Como el vapor secundario sólo tiene energía para permitir que el líquido hierva a una temperatura inferior a la del efecto del que procede, y la concentración del líquido aumen­ ta al avanzar por los efectos, es necesario que el sistema funcione a presiones progresivamen­ te más bajas (figura 11.8). Así, la temperatura de ebullición desciende a medida que avanzan el número de efectos. Con esta forma de proce­ der, el riesgo de que se produzcan daños térmi­ cos en el alimento más concentrado y viscoso se reduce, dada la menor temperatura de los últimos efectos. El inconveniente de este siste­ ma está en que el vapor con mayor poder calo­ rífico se emplea en las primeras fases de la eva­ poración, cuando el producto se concentra con mayor facilidad, y al final se requiere un gran descenso de la presión. Para aumentar la efica­ cia del sistema, es conveniente que el líquido que entra en el primer efecto esté precalenta- do, a una temperatura próxima a la de su pun­ to de ebullición. Si en este primer efecto se transfiere algo de calor sensible, se dispondrá de una menor cantidad de vapor para los efec­ tos subsiguientes. b) Alimentación hacia atrás o en contra­ corriente. En este sistema el avance del líquido tratado y el aprovechamiento del vapor liberado se realiza en sentido contrario (figura 11.7.b). De esta forma, el alimento más diluido se ca­ lienta con vapor procedente de un efecto en el que se ha tratado producto más concentrado y así sucesivamente (líquido y vapor fluyen en contracorriente). Para este método se requiere intercalar bombas entre los diferentes efectos. El vapor con mayor poder calorífico se usa para el producto más difícil de concentrar. Por tanto, y a diferencia del sistema anterior, su funcionamiento no depende de los cambios de presión^y temperatura y la transferencia de ca­ lor y la economía energética es mayor. Sin em­ bargo, si :el equipo no está ajustado de forma adecuada, pueden producirse daños térmicos en las etapas finales, ya que el producto entra en contacto con las superficies más calientes cuando se halla más concentrado. •) n Vapor Entrada de Vapor Safidada producto Vapor Salida de * producía Vapor Eniradade ” producto c) Vapor ó) Vapor FiCL«A 11.7. E vaporadores de efecto múltiple. Métodos de alimentación: a) concurrente, b) en contracorriente, c) en paralelo y d] mixta. c) Alimentación en paralelo. Este método está indicado para la cristalización de algunos productos ya que evita el uso de bombas para su trasvase. El producto se lleva a término en cada efecto aunque el vapor liberado pasa de un efecto a otro (figura ll.7.c). d) Alimentación mixta. Este sistema se utili­ za en las instalaciones con un alto número de efectos (figura ü_7.d) Se trata de una combina­ ción de la alimentación hacia adelante (por ejemplo en las primeras etapas de la evapora­ ción) y de contracorriente (por ejemplo en las últimas fases de concentración). Presenta las ventajas de la sencillez de las instalaciones con­ currentes y la mayor economía de la alimenta­ ción hacia atrás. El sistema está recomendado Figura 1 1.8. Funcionamiento de un evaporador de triple efecto con alimentación hocio ade­ lante. F; alimentación. V, vapor primario; V, vopor secundario; q, calor transmitido; P, presión; t, temperatura; Ac, condensodo; P, producto. fi * “ *7 > f3 ” > V f>, 2 Pj > P3 > P,. cuando la viscosidad del líquido tratado aumen­ ta considerablemente con la concentración. Las instalaciones requeridas son más caras y com­ plejas. 2. Recompresión mecánica del vapor. Es otra forma de aprovechamiento del vapor se­ cundario. En este caso, se trata de incrementar la presión, y en consecuencia la temperatura de condensación, del vapor secundario procedente de un evaporador para proseguir la evapora­ ción del producto. La recompresión puede rea­ lizan» «Minando una bomba mecánica (recom­ presión mecánica) o recurriendo a un compre­ sor de chorro de vapor (recompresión térmica o termocompresor) . El termocompresor es un eyector de chorro de vapor (figura 11.6) que funciona haciendo pasar vapor a alta presión ( vapor motriz) a tra­ vés de una boquilla hacia una cámara o tobera conectada a un evaporador. D e esta forma, la presión del vapor motriz se transforma en ener­ gía cinética, produciéndose un chorro a muy al­ ta velocidad que aspira por arrastre una parte del vapor secundario producido en un evapora­ dor. En la tobera, a nivel de un estrangulamien- to que separa la sección convergente de la di­ vergente (figura 11.6), tiene lugar la mezcla del vapor motriz con el vapor aspirado, con el con­ siguiente incremento de la presión de este últi­ mo. La recuperación de energía llevada a cabo por el termocompresor depende de su coefi­ ciente de recarga, es decir, del caudal de vapor aspirado respecto al caudal de vapor motriz. Algunos sistemas de efectos múltiples incor­ poran recompresión de vapor en uno o más efectos (figura 11.9) con un considerable incre­ mento de la economía térmica. 3. Precalentamiento. Una forma sencilla de conservación energética en la evaporación con­ siste en utilizar el vapor secundario de un evapo­ rador para precalentar el alimento antes de co­ menzar su procesado. Esta forma de proceder permite incrementar entre un 5 y un 10% la ca­ pacidad del siguiente evaporador. El vapor se­ cundario también puede emplearse para preca­ lentar el agua utilizada en el generador de vapor. D) Tipos de evaporadores Existen muchos tipos de evaporadores (cua­ dro 11.1); la mayoría de ellos funcionan en Condensado Inyección de condensados Figura 11.9. Evaporador de varios efectos con otros sistemas de aprovechamiento de energía, a) Evaporador de dos efectos y fermoeompretor: 1. Precolenlodor I; 2. Precolentodor 2; 3. Primera etapa de evaporación; 4. Separador de vapor, 1 1 eto­ pa; S. Segunda etapa de evaporación; 6. Separador de vapor, 2* etapa; 7. Termo- compresor. b) Evaporador de tres efectos con compresión mecánica: I. Termocom- presor; 2. Bomba de vacio; 3. Compresor de vapor. Fuente: Alfo-loval (1990). continuo, aunque para el procesado de peque­ ñas cantidades o cuando se necesita cambiar con frecuencia de tipo de producto todavía se utilizan los evaporadores abiertos discontinuos. Seguidamente se describen los más utilizados. En algunas ocasiones se combinan, de forma que el proceso comienza con una clase de eva­ porador y finaliza con otro. 1. Evaporadores de circulación natural. En este tipo de evaporadores el movimiento del líquido tratado se debe a las corrientes de CUAOtO I I . I . Métodos de evaporación más empleados en la Industria Alimentaria. EVAFORADORE5 DE CIRCULACIÓN NATURAL I . I . Evaporodorui abiertos y cerradas 1.2. Evaporadores de tubos cortos o de tubo y carcasa Evaporadores de tubos cortos horizontales Evaporadores de tubos cortos verticales 1.3. Evaporadores da tubos largos. Evaporadores de tubos largos de película ascen­ dente Evaporadores de tubos largos de peliculo des­ cendente Evaporodores de película ascendento-descen- dente 1.4. Evaporadores da colondria externa 2 EVAPORADORES DE CIRCULACIÓN FORZADA 2 .1. Evaporodores de placas 2.2. Evaporadoras da Rujo expandido 2 3. Evaporadores de película delgoda mecánica o ro­ tatorios 3. EVAPORADORES A BAJA TEMPERATURA, DE CICLO DE REFRIGERACIÓN O OE BOMBA CALORÍFICA convección y a la fuerza de ascensión de laS burbujas de vapor, que lo arrastran a lo largo del intercambiador de calor. La separación del vapor del líquido está favorecida por el movimiento centrífugo del producto y tiene lugar en la zona superior del evaporador. a) Evaporadores abiertos y cerrados. Este tipo de evaporadores es el más simple y econó­ mico. Se trata de un recipiente de forma hemis­ férica que se calienta con gas, con una resisten­ cia eléctrica o con vapor de agua que circula por un serpentín o por una camisa externa. Es­ tos últimos son los más utilizados. En algunos casos (evaporadores cerrados) poseen una tapa que les permite funcionar a vacío. En el inte­ rior pueden presentar un agitador de palas pa­ ra aumentar la velocidad de evaporación, evi­ tar e! sobrecalentamiento local y permitir un tratamiento más uniforme. Son poco adecua­ dos para los alimentos sensibles al calor, y la velocidad de transferencia de calor, asi como la eficacia energética, es baja. Sin embargo, son muy versátiles, se adaptan a una amplia variedad de productos y ritmos de producción. Es conveniente utilizar unidades de pequeño tamaño ya que en las grandes se reduce consi­ derablemente la relación superficie de trans­ ferencia de calor/volumen de líquido y el calen­ tamiento es menos efectivo. Se utilizan, funda­ mentalmente, en la elaboración de sopas, concentrados de pulpa de tomate, salsas varia­ das, mermeladas y productos de confitería y si­ milares. b) Evaporadores de tubos cortos 0 de ,nbo y carcasa Constan de un recipiente o carcasa que en su parte inferior presenta un cambiador de tubos. El espacio definido por encima ie es­ te último permite la separación por gravedad de las gotitas de líquido que podrían ser irras- tradas con el vapor liberado. En algunos casos, en este espacio se colocan además láminas de choque separadoras. El haz de tubos del cam­ biador de calor puede estar dispuesto en hori­ zontal (evaporadores de tubos cortos horizonte- ley, figura 11.10.a) o en vertical (evaporadores de tubos cortos verticales; figura 10.11.b). La disposición en horizontal dificulta la circu­ lación del líquido que se va a procesar y pre­ senta un bajo coeficiente global de transmisión de calor. Por ello, este tipo de evaporadores es poco utilizado y sólo se ha empleado en La con­ centración de líquidos de escasa viscosidad .con muy poca tendencia a formar espuma y costra. Los evaporadores de tubos cortos verticales se utilizan con mucha frecuencia en la Indus­ tria Alimentaria. En ellos, la calandria, o con­ junto de tubos que atraviesa la cámara de va­ por, está formada por unidades de unos 0 4 a 2 m de longitud y entre 25 y 75 mm de diámetro. Normalmente presenta, además, un tubo dt re­ tom o central (figura ll.IO.b) que suele repre­ sentar al menos el 40% del área total de flujo del resto de los tubos (tubos de ascensión). Es­ ta disposición en vertical favorece las corrien­ tes de convección y el incremento de la veloci­ dad de transferencia de calor. El alimento que Liquido concentrado o) concentrado b) concentrado c| FIGURA ! 1. 10. Evaporadores de tubos cortos: a) evaporador da tubos cortos horizontales; b} evaporador de tubos cortos verticales; y cj evaporador de tubos da cesta. se va a evaporar se calienta por el vapor que se condensa en la parte extema de los tubos. En su ebullición, el liquido asciende por éstos ca­ yendo al espacio o tubo central e iniciando de nuevo el ciclo. Puesto que el líquido situado en el tubo de retomo está más frío que el que cir­ cula por los tubos de ascenso, se crean corrien­ tes de convección natural. Este tipo de evaporadores son baratos de construcción y mantenimiento, muy versátiles y, cuando se emplean con líquidos relativamen­ te poco viscosos, su velocidad de transferencia de calor es mayor que la de los evaporadores abiertos. Sin embargo, son poco adecuados pa­ ra el tratamiento de líquidos muy viscosos. En este caso, la velocidad de circulación es dema­ siado lenta, aumenta el riesgo de quemado, se producen depósitos en la superficie calefactora, disminuye la velocidad de intercambio calórico y la limpieza es difícil. Algunos equipos pre­ sentan tubos instalados en una estructura de cesta (calandria de cesta, evaporadores de cesta) que puede desmontarse con facilidad pa­ ra su limpieza (figura 11.10.c). Los evaporadores de tubos cortos verticales se utilizan con frecuencia para la concentración de jarabes (soluciones de azúcar de caña, re­ molacha, glucosa), extracto de malta, sal y zu­ mos de frutas. c) Evaporadores de tubos largos. Están formados por una cámara vertical provista de cambiadores de calor de tubos verticales de 2,5 a 5 cm de diámetro y de 3 a 15 m de altura. Este tipo de evaporadores puede ser de película as­ cendente o de película descendente dependiendo de la disposición de la entrada del líquido en el cambiador de calor (figura 11.11). En los evaporadores de tubos largos de pelí­ cula ascendente el líquido penetra por la parte inferior de los tubos, normalmente precalenta- do casi hasta su punto de ebullición. De esta forma, el líquido comienza a hervir en el inte­ rior de los tubos y la expansión del vapor que se libera lo arrastra en su rápido ascenso (figu­ ra 11.12), distribuyéndose en forma de una fina ftGUKA 11.11. Evaporadores de tubos largos: o) evaporador de tubos largos de película descenden­ te; o¡ evaporador de tubos largos de película aseen- dente-descendente. FIGURA 11.12. Ebullición *n «I interior de un evapo- rodor de tubos largos de película ascendente. película sobre las paredes de los tubos y alre­ dedor de las burbujas. A medida que el liquido avanza se va concentrando rápidamente. La mezcla de vapor-liquido que emerge de la par­ te superior de los tubos pasa a un separador donde se libera el vapor. En este tipo de evaporadores tiene una gran importancia el efecto de la cabeza hidrostátíca, sobre todo en el tratamiento de productos vis­ cosos con una velocidad de tránsito inferior. En los evaporadores de tubos largos de pelí­ cula descendente el liquido que se va a procesar entra (generalmente precalentado) por la parte superior del haz de tubos (figura 11.11.a). En es­ te caso el producto desciende a gran velocidad (hasta 200 m s_l) por gravedad y arrastrado por el chorro de vapor formado. El efecto de la pre­ sión hidrostátíca es nulo, por lo tanto se mantie­ ne una temperatura unifórme de ebullición. Estos evaporadores también pueden utili­ zarse combinados (evaporadores de película as- cendente-descendente, figura l l . l l .b ) . En éstos, el tratamiento comienza en la sección con régi­ men de película ascendente de un evaporador de tubos largos donde se trata el liquido dilui­ do hasta su concentración parcial. Cuando la viscosidad del producto aumenta pasa a una sección de película descendente donde se al­ canza el grado de concentración deseado. Los evaporadores de tubos largos, en gene­ ral, se caracterizan por: un tiempo corto de permanencia en la zona de calentamiento, unos coeficientes de transferencia de calor altos y una eficacia energética elevada. Normalmente se utilizan en instalaciones de varios efectos. Están indicados para el tratamiento de produc­ tos sensibles al calor, como en la elaboración de concentrados de zumo de cítricos (trata­ mientos a 16-20 *C, operando a vado), produc­ tos lácteos, extractos de levaduras y en la fabri­ cación de almidón. Los inconvenientes de estas instaladones radican, fundamentalmente, en su voluminosidad y en la dificultad de su manteni­ miento y limpieza. d) Evaporadores de calandria externa. Se -caracterizan porque el sistema de separación de vapor secundario es externo a la calandria (figura 11.13). Además, poseen una conduc­ ción para la recirculadón del producto que permite que se establezcan corrientes de con-, vección mejorando el intercambio calórico. La calandria se desmonta con mayor facilidad pa­ ra su limpieza que en los equipos anteriores. Algunos equipos presentan, en lugar de un sis­ tema tubular, un cambiador de calor de placas. Estos evaporadores resultan muy adecuados para tratamientos bajo derto grado de vacio de productos sensibles al calor como zumos de fru­ tas, derivados lácteos y extractos de carne. 2. Evaporadores de circulación forzada. Es­ tos evaporadores tienen bombas centrifugas (para líquidos menos viscosos), bombas de des­ plazamiento positivo (para líquidos de mayor viscosidad) o diversos dispositivos (como una hélice impulsora en los evaporadores de crista­ lización) que distribuyen el liquido en el inter­ cambiador de calor y aumentan la velocidad de (lujo a través de las superficies de calentamien­ to. Por este método se consiguen velocidades de intercambio calórico más elevadas y riem- Vipar secundario Gasas Incondensables Alimentación * Liquido concentrado * Condensado Cámara de calentamiento FIGURA 11.13. Evaporado' de circulación natural con calandria externa y separador de ciclón. Fuente: Brennan y cois. (1980). pos de permanencia más cortos. Son compac­ tos y de gran rendimiento, pero su adquisición- y mantenimiento resulta más caro. Algunos evaporadores de calandria externa disponen de un sistema de bombeo y, por lo tanto, son de circulación forzada. Este tipo de evaporadores es adecuado para el tratamiento de líquidos muy densos y viscosos, así como para aquellos con tendencia a producir costra. En este último caso, a veces se procede de forma que el pro­ ducto se calienta en el cambiador de calor, aun­ que se impide su ebullición (por ejemplo, cre­ ando una presión hidrostática elevada). La evaporación se produce seguidamente por ex­ pansión en un recinto separador (expansor) al mismo tiempo que el producto se enfría (figura 11.14). Entre los evaporadores de circulación forza­ da pueden mencionarse los siguientes: a) E vaporadores de placas. Su denomina­ ción se debe a que presentan un cambiador de calor de placas, que normalmente se utiliza en régimen de película ascendente-descendente (figura 11.15). El líquido a tratar entra, impul­ sado por una bomba, en la parte inferior de la sección ascendente del cambiador, hierve y al­ canza la pane superior de las placas, entrando después a la sección descendente donde conti­ núa la ebullición. Los equipos pueden tener varias secciones incluida una de precalenta- miento. La mezcla de vapor-líquido se separa en un equipo adjunto (separador de ciclón o centrífugo) y el vapor recuperado puede apro­ vecharse a continuación en otros efectos. Son evaporadores costosos pero su velocidad de in­ tercambio calórico es muy elevada, los tiempos de evaporación son cortos y son energética­ mente muy eficaces. Ocupan poco espacio y se desmontan con facilidad para su inspección y limpieza.’-Resultan más adecuados que los eva- poradoreside tubos largos para la concentra­ ción de líquidos muy viscosos y suelea utilizar­ se para alimentos termosensibles como extrac- cos de levaduras, productos lácteos y extracto? de carne. Concentrado Bomba ■t ^Aguada J condensación Condensador barométrico Vapor secundario Incondensables Bomba de vacio FIGURA 11.14. Evcporodnre* de circulación forzada con calandria externa. b) Evaporadores de flujo expandido. Tienen un funcionamiento muy similar á los evapora­ dores de placas. En este caso, el intercambio calórico en lugar de producirse en un conjunto de placas se realiza sobre conos invertidos su­ perpuestos. Al igual que en el cambiador de placas, en los espacios comprendidos entre los conos se alterna la presencia de vapor de agua (como Quido calefactor) y de líquido a concen­ trar (figura 11.16). Existen varios diseños aun­ -Alimentación I condensado Concentrado Sección de vapor Sección de vapor Sección de descarga Juntas Espaciadores FIGURA 1 1.15. Evaporador de placas. que la base de su funcionamiento es muy simi­ lar. El líquido que se va a procesar puede acce­ der por el eje central de los conos para fluir al­ ternativamente por los espacios comprendidos entre dos conos consecutivos. Estos sistemas operan a vacío, por lo tanto el punto de ebulli­ ción se alcanza rápidamente. La evaporación se produce en el trayecto ascendente a través FIGURA 1 l . l ó , Evoporador de flujo expandido. Fuente: Brennan y cois. (19SC¡. de las superficies cónicas y hacia afuera. La mezcla de vapor-concentrado abandona el con­ junto de conos de forma tangencial. La separa­ ción se produce en e! espacio definido entre el cambiador de calor y la carcasa donde se ubica. En esta cámara se consigue un efecto semejan­ te al de un separador de ciclón, de forma que el producto concentrado sigue un curso descen­ dente por espacios adyacentes a los conos y el vapor secundario asciende, pasa a una cámara contigua externa y sale de ésta por una conduc­ ción lateral (figura 11.16). Estos evaporadores poseen bastantes ventajas. En ellos, el líquido a tratar se distribuye a gran velocidad en finas películas en los espacios entre los conos, donde se establece un régimen turbulento con elevada velocidad de transferencia de calor y tiempos cortos de evaporación Por otra parte, son muy versátiles (el número de conos puede modifi­ carse de acuerdo con las necesidades), compac­ tos y están diseñados para su limpieza in situ. c) Evaporadores de película delgada mecá­ nica o rotatorios. Se caracterizan por disponer de un sistema mecánico que permite distribuir el liquido a evaporar en una fina película. A es- te tipo pertenece el evaporador de superficie barrida (figura 11.17), en el cual se consigue disponer el producto en películas de aproxi­ madamente 0,25 mm de espesor (frenie a los 125 mm que se consiguen como máximo en los evaporadores de capa fina). Estos equipos es­ tán constituidos, en general, por un ro .or que gira a elevada velocidad en el interior de una cámara dotada de una camisa calefactora. La forma del rotor puede ser variada y presentar múltiples láminas montadas en vertical o en horizontal con respecto al eje longitudinal cen­ tral. La distancia entre las paredes de la cáma­ ra y el borde de las estructuras laminares del rotor determina el espesor de la película de producto (entre 0,5 y 1,25 mm en los denomi­ nados de película delgada y hasta 0,25 mm en ios de película barrida). La elevada velocidad del rotor hace que sus láminas agiten violenta­ mente el líquido y lo distribuyen en ñnas capas que contactan con las paredes calientes de la cámara. Oe esta forma, se consiguen velocida­ des de transmisión de calor y de evaporación muy altas con escaso riesgo de formación de corteza. El tiempo de permanencia del líquido en el evaporador oscila entre 0,5 y 100 segun­ dos. dependiendo del tipo de alimento y el gra­ do de concentración deseado. Estas instalaciones resultan muy adecuadas para alimentos termosensibles, viscosos y para aquellos con tendencia a formar espuma o ad­ herirse a las superficies calientes (pulpa y zu­ mos de algunas frutas, pasta de tomate, extrac­ tos de carne, cremas de cacao y cafó, asi como diversos productos lácteos). En general, se uti­ lizan como evaporadores de acabado de pro­ ductos previamente concentrados en otro tipo de instalaciones. En este tipo de evaporadores de película delgada mecánica también se consideran otros como el Centri-therm (figura 11.18), con una base de funcionamiento algo distinta. Este eva­ porador tiene un aspecto similar al de flujo ex­ pandido ya que, al igual que éste, presenta un cambiador de calor formado por un conjunto de conos que en este caso giran a gran veloci- Vapor .. primario Vapor ' secundario t» Oeriector Condensa do Concentrado Ai mentación Condensado f Vapor rl s ecundario Producto Vapor J ~ primario Q}Sp0S;t}v0 cam isa de de rascado calentamiento rotatorio Figura 11.17. Evaporodores de película delgada mecánica: a) evaporador de película delgada; y b) evaporador de superficie barrida horizontal. FIGURA 11.18. Evaporador Centri-therm. Fuente: Fellows (1993). dad. El líquido que se va a tratar, que entra por !a zcna central próxima di eje de giro, se distri­ buye rápidamente en finas capas (de aproxima­ damente 0,1 mm de grosor) sobre la superficie de los conos en rotación. Al contrario de lo que sucede en los evaporadores de flujo expan­ dido, en los que el líquido circula por efecto de la jresión de vapor, en el Centri-therm lo hace po" efecto de la fuerza centrífuga. Esta misma fuerza desplaza rápidamente de las superficies de intercambio calórico las gotitas de vapor primario condensado, evitando que se formen películas que dificulten la transferencia de ca­ lor Por todo ello, en estos evaporadores se consiguen coeficientes de transferencia de ca­ lor muy elevados y tiempos de permanencia coros (del orden de 0,6 a 1,6 segundos incluso con líquidos concentrados), lo que permite mantener las características organolépticas y el valor nutritivo del producto original. Con fre­ cuencia se utilizan para la concentración de ca­ fé, extractos de té y de carne, zumo de frutas y enzimas utilizadas en la Industria Alimentaria. 3. Evaporadores a ba¡a temperatura, de ci­ clo de refrigeración o de bomba calorífica. Es­ tos equipos trabajan a baja presión consiguien­ do temperaturas de ebullición muy bajas, del orden de los 20 ®C. y tiempos de evaporación cortos. La base de su funcionamiento es similar a la de un circuito de refrigeración mecánico. En este caso, el calor requerido para la evapo­ ración del líquido que se va a concentrar es aportado por la condensación de un fluido re­ frigerante. Este último se evapora previamente en ur. cambiador de calor en el que se conden­ sa el vapor secundario liberado del producto concentrado (figura 11.19). Estos evaporadores se emplean para productos muy sensibles al ca­ lor como los zumos de cítricos. 11 .5 . D eshidrataeión La deshidrataeión o secado o desecación se define como la extracción deliberada y en FIGURA II 19 Evaporador o baja temperatura, de ciclo ds refrigeración o de bomba calorifica. Fuen­ te: Brennon y cois. (I980 |. condiciones controladas del agua que contie­ nen los alimentos. Esta operación básica se lleva a cabo por evaporación o, en e f caso de la liofilización, por sublimación del agua. El producto resultante presenta un contenido acuoso, en la mayoría de los casos, inferior al 3%. Aunque existen otras formas de eliminar el agua de los alimentos, como la filtración, la centrifugación o la extracción sólido-líquido (capítulo 12). no se consideran una operación de secado ya que no recurren a la evaporación o a la sublimación. Estos procedimientos, ade­ más, eliminan mucha menos agua. La deseca­ ción al sol también se excluye debido a la falta de control sobre las condiciones de procesado. Esta operación unitaria se diferencia de la evaporación, en cuanto que en la última el grado de eliminación de agua es mucho me­ nor permitiendo, simplemente, concentnr los alimentos. Los objetivos principales por los cuales a Industria Alimentaria recurre al secado pue­ den resumirse en los siguientes puntos: a) Aumentar el período de conservación de los alimentos. Se trata de un método de conservación en el que se inhiben el ere- cimiento de los microorganismos, la acti­ vidad de algunas enzimas y algunas reac­ ciones químicas por reducción de la Por tanto, es en la eliminación del agua, por evaporación o por sublimación, don­ de radica el efecto conservador de esta operación ya que, normalmente, la tem­ peratura que se alcanza durante el pro­ ceso no es suficiente para inactivar los agentes alterantes de los alimentos. ¿>) Reducir el peso y el volumen de los ali­ mentos para facilitar y abaratar los cos­ tes de transpone y almacenamiento. La eliminación del agua, componente ma- yoritario de los alimentos, origina lógica­ mente la disminución del peso y a veces también del volumen. c) Facilitar el empleo y diversificar la ofena de productos. En algunas ocasiones la deshidratación permite conseguir pro­ ductos de más cómoda utilización y dis­ tintas características organolépticas. Como ejemplos de productos deshidrata­ dos pueden considerarse leche en polvo, fru­ tas desecadas, café en polvo, preparados para purés y sopas, huevo en polvo, pastas alimen­ ticias, etc. 11.5.1. Fu ndamentos de lo deshidratación El diagrama de fases del agua (figura 11.20) expresa las condiciones de equilibrio de los diversos estados del agua pura. En éste la curva CO corresponde a los puntos de fu­ sión, AO v.% la curva de equilibrio vapor-líqui­ do o curve de presiones de vapor o de los puntos de ebullición y BO la de sublimación, mientras cue DO representa la curva de pre­ sión de vapor del agua en sobrefusión. En una operación de deshidratación se ven implica­ dos los cambios de estado definidos por las curvas AC y BO, aunque como seguidamente se indicará, el comportamiento de los alimen­ tos es más complejo. Téngase en cuenta que las fases acuosas de los tejidos animales y ve­ getales y de numerosas preparaciones alimen­ tarias son soluciones, relativamente diluidas, de un gran número de solutos. En la deshidra­ tación tienen lugar simultáneamente transfe­ rencia de calor (para suministrar el calor latente de vaporización o sublimación del agua) y transferencia de masa (movimiento del agua o del vapor de agua a través del ali­ mento y arrastre de vapor de agua del entor­ no del alimento). FIGURA 11.20. Diagrama de fases del agua. O, punto triple. Fuente: Cheftel y cois. (1989). A ) Transferencia de energía El calor necesario para conseguir la evapo­ ración del agua de los alimentos (o su sublima­ ción en el caso de la liofílízación) puede trans­ mitirse por conducción, por convección y por radiación, que generalmente se combinan, aun­ que predomine uno de ellos. Este calor puede aportarse a presión atmosférica o bajo cierto grado de vacío. Cuando se aplica vacío la trans­ formación se produce a temperaturas más ba­ jas (figura 11.20). Algunos equipos recurren al empleo de energía microondas y otros utilizan el calentamiento dieléctrico. Considerando la forma de transferencia de calor y la manera de proceder, los métodos de deshidrataeión pue­ den clasificarse de la siguiente forma: 1. Desecación cor, aire caliente. El alimento se pone en contacto con una corriente de aire caliente y el calor se transmite, fun­ damentalmente, por convección. 2. Desecación por contacto directo con una superficie caliente. El calor se transfiere al alimento principalmente por conduc­ ción. 3. Desecación mediante el aporte de energía de una fuente radiante. La transmisión de calor que predomina es la radiación. 4. Desecación por energía electromagnética (calefacción por microondas y dieléctrica). 5. Liofilización o criodeshidratac'ión. El agua de los alimentos se congela y seguida­ mente se sublima utilizando cualquiera de los mecanismos de calentamiento anteriormente mencionados. Esta forma de eliminar el agua de los alimentos tie­ ne características muy particulares y se tratará al final del presente capítulo. Durante el secado de un producto por con­ tacto con un fluido en movimiento (aire calien­ te generalmente), la transferencia de calor se hace por convección, especialmente en las ca­ pas superiores donde, por lo general, el movi­ miento del fluido es turbulento. No obstante, se considera que la principal resistencia a la transferencia de calor proviene de una delgada capa de fluido inmediata a la superficie del producto. Esta capa límite es casi inmóvil y en ella la transferencia de calor es por conducción. Con independencia del mecanismo de calenta­ miento que se utilice, la transferencia de calor en el interior del producto se hace por conduc­ ción. Bajo este aspecto, cabe señalar que a tem­ peraturas ordinarias, la mayoría de los alimen­ tos tienen una conductividad térmica próxima a la del agua (en torno a 0,58 W n r 1 K~' en el agua líquida y unos 2,19 W m-1 K_l en congela­ ción). En los alimentos parcialmente deshidra­ tados y porosos la incorporación de aire dismi­ nuye la cantidad de calor transmitido, debido a que éste presenta una conductividad térmica mucho más baja (unos 0,022 W n r1 K'1). B) Transferencia de masa La forma en que puede encontrarse el agua que contienen los alimentos se ha estudiado en el capítulo 2. Generalmente el agua que se eli­ mina de los alimentos durante el secado corres­ ponde a los tipos IV, III y II, pero el agua fuertemente ligada permanece. Antes de que el agua se evapore y se pueda eliminar por corrientes de aire, debe alcanzar la superficie del alimento. El agua que inicial­ mente no se encuentra en la superficie del ali­ mento se mueve a través de éste por distintos mecanismos: 1. Movimiento capilar o por fuerzas capila­ res. Tan pronto como el agua de la super­ ficie se evapora, el agua libre (que tiene fuerzas de unión muy débiles) sale al ex­ terior por fuerzas capilares. Éste es el primer desplazamiento del agua libre. 2. Difusión de líquidos. Se debe a las dife­ rencias de concentración de solutos en diferentes regiones del alimento y desde el interior al exterior de las células. En este caso, además de desplazarse el agua libre también lo hace el agua ligada. 3. Difusión de gases. Cuando el alimento está prácticamente deshidratado, tanto el agua ligada como el agua libre se pue­ den evaporar debajo de la superficie y pasar este vapor a través de lo's .poros formados. 4. Difusión en las capas liquidas adsorbidas en las imerfases del sólido. 5. Movimiento debido a la retracción del só­ lido. La mayoría de los alimentos se con­ traen durante la deshidratación, de for­ ma similar a lo que ocurre cuando se es­ truja una esponja. El agua libre migra así hacia la superficie. Además del movimiento de agua líquida o de vapor de agua desde el interior a la superfi­ cie del alimento, en la transferencia de masa hay que considerar la retirada del vapor de agua liberado Para ello, es necesario mantener lo más baja posible la presión parcial de vapor de agua en el medio ambiente, lo cual puede conseguirse por distintos procedimientos: 1) arrastre por una corriente de fluido (general­ mente aire). 2) condensación sobre una super­ ficie fría, 3) aspiración por una trompa de va­ por y 4) haciendo pasar el aire utilizado en el proceso a través de un material desecante. Cuando se recurre a la condensación de vapor, los gases no condensables (aire, anhídrido car­ bónico, etc.), que también se eliminan del pro­ ducto, se retiran con la ayuda de una bomba de vacío o de un eyector de chorro de vapor. La difusión del agua líquida debida a los gradientes de concentración es análoga a la transmisión de calor por conducción y depende del gradiente de concentración de agua en la superficie y en el interior del producto (fuerza conductora). En cambio, la transferencia de va­ por de agua desde la superficie del alimento ai exterior es análoga a la transferencia de calor por convección. En este caso, el flujo de hume­ dad es proporcional a la diferencia entre la presión de vapor de la superficie y la presión de vapor de agua en el aire que la rodea (fuer- ■»n i» n n r i iir lr \ r í\ La desecación con aire es claramente la for­ ma de secado más utilizada en la Industria Ali­ mentaría. En este caso, existe una transferencia simultánea de calor y de masa. La energía se transfiere desde el aire al alimento (suministran­ do el calor latente de vaporización del agua) y el vapor de agua migra en la dirección opuesta, desde el alimento al aire. Por estas razones, es conveniente conocer algunas de las propiedades de las mezclas aire-vapor de agua. C) Propiedades del aire húmedo (Psicrometrla) La psicrometría se ocupa del estudio de las propiedades y del comportamiento de las mez­ clas gas-vapor. De éstas, la más frecuente en el procesado de alimentos es la de aire-vapor de agua. El aire atmosférico es, :n realidad, una mezcla de gases en una proporción fija y vapor de agua, con un contenido variable. La propor­ ción de vapor de agua fluctúa normalmente en­ tre 0 y 4%. Por ello, normalmente se simplifica la situación suponiendo que el aire atmosférico está formado por dos partes: aire seco (gases no condensables como 0 2, N3, CO, y argón) y vapor de agua (fluido condensable, sometido a cambios de estado) A la unión de estos dos componentes se le denomina aire húmedo. Entre las variables psicrométricas de mayor interés para una operación de secado se en­ cuentran: 1. Humedad absoluta o especifica ( / / ,) . Se define como el peso de agua en forma de vapor por unidad de peso de aire seco. En general, se expresa en kg de vapor de agua por kg de aire seco {Ht = kg de agua en forma de vapor/kg de aire seco) aunque también puede considerarse teniendo en cuenta la relación de las fracciones molares o de las presiones parciales H . = (M wP .) IM '(P -P v) (11.6) siendo M w el peso molecular del agua. M t el peso molecular del aire, P la presión total del r ie t« m a u P l l n r» c iAn n a r^ In l A os \ i n rvrs r 2. H um edad de saturación (H J Es la hu­ medad absoluta del aire saturado de vapor a una determinada presión y temperatura. Si se mantiene constante la temperatura del aire con una cierta presión de vapor y se adiciona hu­ medad (vapor de agua) se alcanza un momento en que el aire no admite más vapo- de agua. En este punto, el aire presenta la máxima hu­ medad absoluta y se dice que está saturado de vapor de agua a una determinada temperatura (temperatura de saturación) y presión. En estas condiciones si se prosigue añadiendo vapor de agua éste se condensa. En la saturación, la pre­ sión de vapor de agua (Pw) es igual a la presión de vapor del agua en estado líquido (P J a la misma temperatura y presión (cuadro 11.2). C u - O l O 1 1 .2 P re s ió n » p o r c ic i» de vap o r y catires órenles d e evaporación del agua pura a disrinias lem peroiu-cs. IWcrptrctvra 1*Q Preitón d» vepor Itfo] Celar latanre d» vapyizoción iw kg-'; 0 0.6 2499.5 20 2.3 2445,1 40 7.3 2403.2 00 19.8 2357,1 30 47.3 2306.9 100 101.3 2256.6 120 198.6 2198.0 140 362.6 2139.4 fuénté. CHertel y cois. (1 999} Es necesario especificar la temperatura a la que se considera la saturación ya que. cuanto mayor es la temperatura más alto es el valor de la presión de vapor ejercida por el agua pu­ ra y viceversa (cuadro 11.2). Por tanto, si se calienta el aire y aumentamos su temperatura, éste aceptará más vapor de agua. Por el con­ trario. si se enfria, al disminuir la temperatura su humedad de saturación será menor. Alcan­ zada la Ht , si el aire se enfria comienza a con­ densarse el vapor de agua (por ejemplo, bajo la forma de niebla). La temperatura a la que aparece, la mn.dencurión se conoce como^ur.- to de roclo y dependerá, por lo tantOj de la Ht del aire. Esta temperatura puede determinarse experimentalmente (higrómetros de punto de rocío), de forma muy precisa, enfriando lenta­ mente un espejo en la mezcla aire-vapor de agua estudiada. El inicio de la condensación de agua sobre el espejo, determinado con la ayuda de una célula fotoeléctrica, corresponde al punto de rocío. 3. Humedad relativa (H ). Es la relación que existe entre la humedad absoluta y la hu ­ medad de saturación a una cierta temperatura, y normalmente se valora en porcentaje [Hr (% ) = (H JH t) x 100]. La Hr también puede ex­ presarse como la relación de la presión parcial de vapor de agua del aire y la presión parcial de vapor del agua pura a la misma temperatura [Hr - 100 {P yP J\. Esta variable es un indicati­ vo del gTado relativo de saturación en vapor de agua del aire y, por lo tanto, una medida de la capacidad de ese aire para cargarse de vapor de agua durante la deshidrataeión. La Hr del aire puede determinarse por distintas técnicas (relación matemática entre la temperatura de bulbo húmedo, la de bulbo seco y la presión parcial de vapor ejercida por el agua, higróme- tro de cabello, higrómetros de resistencia eléc­ trica, etc.). Durante el secado por aire. U velo­ cidad de secado depende de la humedad relati­ va del aire. La Hf, de la misma forma que la Ht, depen­ de de la temperatura. Si aumenta la temperatu­ ra de un aire de Ht fija, su Hr desciende, incre­ mentándose su capacidad para arrastrar vapor de agua al alejarse de su Hr Por e f contrario, si la temperatura baja, la Ht aumenta y así dismi­ nuirá su capacidad de deshidrataeión. 4. Temperatura de bulbo húmedo. Es la que indica un termómetro, cuyo bulbo está rodeado de un material empapado en agua, colocado en una comente de aire de al menos 3 m s"1. AJ ca­ bo de un cierto tiempo de esta exposición el ter­ mómetro registra una temperatura estacionaria, que y . conoce como temperatura de bulbo hú­ medo (T J . Esta temperatura es inferior a la que indica un termómetro seco dado que la evapora­ ción provoca un descenso de temperatura por­ que motiva una transferencia de calor del aire hacia el agua. La magnitud de la diferencia en­ tre la temperatura de bulbo seco y la de bulbo húmedo (depresión de bulbo húmedo) depende de la temperatura del aire (es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura inicial del aire) y de Ir Ht (es tanto mayor cuanto más seco esté el aire). Tm se puede considerar, por lo tanto, co­ mo la temperatura de una superficie húmeda en equilibrio con el aire con una determinada Ha y temperatura. Durante las etapas iniciales de una operación de secado la superficie del alimento generalmente se comporta como una superficie saturada de humedad y, por lo tanto, su tem­ peratura se aproxima a la Tw. •» La entalpia (H ) de una mezcla aire-vapor de agua se define como la suma de calores conte­ nidos en ese aire y en el agua que está presente (calores sensibles del aire y del agua, calor latente del agua bajo la forma de vapor). Por lo general, esta entalpia se expresa por kg de aire seco y en relación con un estado de referencia fijado a 0 “C. De esta forma, la H para el aire húmedo a una temperatura 9 viene dada por la expresión: + (11.7) siendo el calor específico a presión constan­ te del aire seco (1 kJ kg‘ ‘ °C"' para las tempera­ turas usuales), c el calor especifico a presión constante del vapor de agua (1,9 kJ kg"1 °C‘; para las temperaturas usuales) y ¿v el calor latente de vaporización del agua (2 k.f Jes-1 aO°C). El diagrama psicrométrico (diagrama entál- oico del aire húmedo) relaciona distintas varia­ bles psicrométricas (figura 11.21) y permite, fi­ jando dos de ellas, conocer rápidamente distin­ tas características (H, Ht , Ht, pumo de rocío, T, Tw, etc.) de un aire húmedo. Este diagrama puede utilizarse para ¡os cálculos de secado. Por ejemplo, si se conoce la temperatura y hu­ medad relativa del aire a la entrada y a la sai i- da del secador, el diagrama permite encontrar los valores de humedad absoluta y por lo tanlo calcular la cantidad de agua tomada por unidad de masa de aire. En la mayoría de los secadores de aire ca­ liente, el secado tiene lugar de forma aproxi­ madamente adiabática^ es decir, sin intercam­ bio de calor con el exterior del sistema a li­ mento-aire de secado. En cualquier instante del secado, el calor necesario para evaporar el agua del alimento se suministra integramente por el descenso del calor sensible del aire de secado. Supongamos que se intenta secar u i producto utilizando aire a 100 °C y con uns H r del 20%. Según el caudal de aire por uni­ dad de superficie del producto, el aire se car­ gará más o menos de humedad y su tempera­ tura bajará más o menos. El grado de humidi- ficación y la temperatura del aire a la salida del secador pueden obtenerse en et diagrama psicromátrico (figuras 11.21 y 11.22) por la curva de temperatura de bulbo húmedo pa­ sando por los puntos definidos por las carac­ terísticas psicrométricas del aire inicial. Si el caudal de aire es lo suficientemente bajo, el aire se satura de humedad y su temperatura alcanzará un mínimo que se corresponde con la intersección de esta curva de saturación (punto de rocío). Durante el secado en estas condiciones, la temperatura en la superficie del producto es igual a la temperatura de bulbo húmedo del aire. Esta temperatura se establece desde el comienzo de la operación y permanece cons­ tante mientras haya agua libre en la superficie .dd producto y es independiente del caudal y grado de humidificación adiabática del aire de secado; depende, únicamente, de la tempera­ tura y humedad relativa del aire inicial. Este descenso de la temperatura en la superficie del producto protege, en parte, al alimento contra un calentamiento excesivo durante el secado. Humedad Temperatura pe bulbo seco (*C) Oiegnme psicromitnoo p - trujas kp» rc> Humedad absoluta Figura 1 1.2 1. Diagrama psicrométrico (0-85 °C). FiGUXA 11.22. Desarrollo de un diagrama psicro- métrico. humedad cbsoiuto; r t j humedad relati­ va; la. temperatura de bulbo seco; 7j, temperatura de bulbo húmedo. 11.5.2. Velocidod de secado. Fases y curvas de secado Cuando se desea deshidratar un alimento (material higroscópico) en una corriente de aire caliente que fluye paralelamente a la su­ perficie de desecación, y considerando que la temperatura y la humedad del aire de deseca­ ción se mantienen constantes durante todo el ciclo de deshidrataeión y que todo el calor ne­ cesario es aportado al producto por convec­ ción, los cambios del contenido de humedad se ajustan a curvas de secado similares a las mostradas en la figura 11.23. De acuerdo con la estructura de estas curvas, en un ciclo de desecación pueden considerarse diversas fases o etapas: Figura 11.23. Curvos de deshidratoción de un sóli­ do húmedo en aire a temperatura y presión cons­ tante. Fuente: Brennon y cois. (1980). A ) Fase A -B También denominada período de estabili­ zación, en el que las condiciones de la superfi­ cie del sólido se equilibran con las del aire de desecación. En general, esta fase constituye una proporción despreciable del ciclo total de desecación, aunque en algunos casos puede ser significativa. B) Fase B -C Esta fase de desecación se conoce como pe­ ríodo de velocidad constante y durante el mismo la superficie del sólido se mantiene saturada de agua liquida debido a que el movimiento del agua desde el interior del sólido a la superficie ocurTe a la misma velocidad que la de evapora­ ción en la superficie. En esta fase, el agua que se evapora es, fundamentalmente, agua libre re­ novada por movimiento capilar o por fuerzas capilares desde las zonas internas del alimento. La desecación tiene lugar por movimiento dei vapor de agua desde la superficie del alimento saturada de humedad, a través de una delgada capa de aire estático, hasta la corriente princi­ pal de aire de desecación. Esta capa límite de aire estático situada sobre la superficie del pro­ ducto condiciona la transmisión de calor y es la principal resistencia a la transferencia de vapor de agua. La aplicación de una corriente de aire a elevada velocidad disminuye el espesor de es­ ta capa y. por lo tanto, evita la formación de un gradiente de humedad en el aire en contacto con el producto. Durante esta fase la velocidad de deseca­ ción es dependiente de la velocidad de transfe­ rencia de calor a la superficie de desecación. La velocidad de transferencia de masa se equi­ libra con la velocidad de transferencia de calor de forma que la temperatura de la superficie de desecación se mantiene constante. Como en estas condiciones la superficie del sólido se comporta como la camisa de un termómetro de bulbo húmedo, su temperatura corresponde a la del bulbo húmedo del aire de desecación. La fuerza motriz que determina el movimiento del vapor a través de la capa delgada de aire estático es el gradiente de la presión del vapor de agua entre la superficie de desecación y la corriente principal del aire de desecación. De esta forma, la velocidad de transferencia de masa puede expresarse mediante la ecuación siguiente: d w / d t = - k A ( P „ - P J (11.8) donde dw/dt es la velocidad de secado. kt el coe­ ficiente de transferencia de materia, A el área de la superficie de desecación, P la presión parcial de vapor de agua en la superficie del producto (es decir, la presión de vapor del agua a la tem­ peratura de la superficie) y la presión parcial de vapor de agua en el medio de secado. La velocidad de transferencia de calor a la su­ perficie puede calcularse mediante la expresión: dQ/de = hc A ( 0 , - 0 , ) (11.9) donde dQ /d t es la velocidad de transferencia de calor, he el coeficiente de transferencia de calor para el calentamiento por convección, A el área de transferencia de calor, 0, la tempera­ tura de bulbo seco del aire y 9t la temperatura de la superficie de desecación (en el calenta­ miento por convección corresponde a la tem­ peratura de bulbo húmedo del aire). Dado que se establece un equilibrio entre la velocidad de transferencia de calor al cuerpo y la velocidad de transferencia de masa desde el mismo, ambas velocidades pueden relacionarse: (dw/dr)Av = - (dQ/dr) (11.10) donde A, es el calor latente de evaporación a Q{ Combinando las ecuaciones anteriores ten­ dríamos la siguiente igualdad: (dw/dr) = - ( ( V i /A 1 ( ^ - 0,) ( 11.11) siendo (dtv/dr) la velocidad de desecación y A la superficie de desecación efectiva por unidad de masa de sólidos secos. Cuando se trata de un producto húmedo de un espesor d, en el que la evaporación sólo tie­ ne lugar por la superficie superior y suponien­ do que durante la desecación no se produce pérdida de volumen (retracción), tendremos: (dtv/dr) = - (V P , K Dem (11.14) donde C es la velocidad másica del aire, Dem las características dimensionales del sistema y a, n y m son constantes empíricas. Por tanto, la velocidad del aire y las dimensiones del sistema influyen en las velocidades de desecación du­ rante el período de velocidad constante. Cuando el calor se transfiere, además de por convección, por radiación y/o conducción, hc se sustituye por el coeficiente global de transferencia de calor. En estas circunstancias la temperatura de la superficie durante el pe­ riodo de velocidad constante permanece esta­ ble. pero a un valor superior al de la tempera­ tura del bulbo húmedo del aire e inferior al del punto de ebullición del agua. C) Fase C-D También denominada periodo de secado a velocidad\decreciente. Se presenta cuando la velocidad de movimiento del agua desde el in­ terior del alimento hasta la superficie se redu­ ce y, por lo tanto, la presión parcial de vapor de agua en dicha superficie (P w) disminuye progresivamente y ¿sea comienza a secarse. E! contenido en humedad del producto en el punto C, en el que comienza el descenso de la velocidad de secado, se denomina contenido crítico de humedad (tvc). Este valor está rela­ cionado generalmente con la velocidad de de ■ secación, con las dimensiones del producto, con los mecanismos de movimiento de la hu medad y con las isotermas de sorción del ali­ mento (capítulo 2). Normalmente aumenta a* incrementarse la velocidad de desecación y e espesor del alimento. Los alimentos no higroscópicos (aquello:, que ejercen la misma presión de vapor de agut para todos los niveles de humedad) poseen ur solo período de velocidad decreciente, míen tras que los higroscópicos (en los que su pre sión parcial de vapor varía de acuerdo con si contenido de humedad) presentan dos. En e primer período de velocidad descendente (CE) el frente de la deshidrataeión se desplaza ha­ cia el centro del alimento. Se evapora agua en et plano de saturación y el agua difunde a tra­ vés de la capa de alimento deshidratado. Esta etapa finaliza cuando el frente de evaporación alcanza el centro del alimento y la presión par­ cial de vapor desciende por debajo de la pre­ sión de vapor de saturación. El segundo perío­ do (ED) se produce cuando la presión parcial de agua se halla por debajo de la presión de va­ por de saturación y la deshidrataeión se produ­ ce por desorción. La velocidad de desecación en estos perío­ dos de secado está limitada, principalmente, por la velocidad de movimiento de la humedad (del agua líquida y del vapor de agua) dentro del sólido, reduciéndose los efectos de los fac­ tores externos, en especial de la velocidad del aire (sobre todo en la última eurta). En esta fa­ se, el agua está ligada a la estructura del ali­ mento y su desplazamiento a través de la capa deshidratada es muy lenta. Por tanto, para que la velocidad de secado sea apreciable es nece­ sario incrementar la temperatura del producto para suministrar el calor de desorción suficien­ te y elevar la presión de vapor de agua del ali­ mento. A partir de! punto C, la temperatura de la superficie comienza a elevarse progresiva­ mente (disminuye la evaporación) durante el resto del proceso de deshidrataeión hasta apro­ ximarse a la temperatura del bulbo seco del ai­ re cuando el pfroducto se ha desecado casi to­ talmente. En consecuencia, es necesario limitar la temperatura del aire durante la fase de velo­ cidad decreciente para evitar alteraciones en alimentos termosensibles. D e acuerdo con las leyes de equilibrio termodinámico, la aw del producto al final del secado será igual a la hu­ medad relativa del aire de secado utilizado du­ rante este período. Por esto, generalmente re­ sulta indispensable utilizar al final del secado un aire de muy baja humedad relativa. Los períodos de velocidad decreciente nor­ malmente constituyen la mayor proporción del tiempo total de desecación (sobre todo si el contenido inicial de humedad del alimento no es muy elevado). Parece ser que de las distintas formas de transferencia del agua que se pre­ sentan en los alimentos, el movimiento por ca- pilarídad y por difusión del líquido son las de mayor importancia. En general, el primero tie­ ne más relevancia en los alimentos en gránulos de estructura grosera y el último en los sólidos con estructura coloidal o de gel, aunque en la mayoría de los casos se presentan ambos en distintas etapas. Así, el movimiento por capila- ridad suele predominar en las primeras fases de secado y el mecanismo de difusión cuando el contenido en humedad es bajo. En los sistemas en los que opera el mecanis­ mo de flujo capilar, la velocidad de desecación puede expresarse con bastante exactitud me­ diante la ecuación: (dw/dt), a - K ( w - w e ) (11.15) en la que (dw/dt), es la velocidad de desecación al tiempo t del comienzo del período de veloci­ dad decreciente, w el contenido en humedad del producto al tiempo t y We él contenido en humedad de equilibrio del producto a la tem­ peratura y humedad del aire. Combinando esta expresión con las ecuacio­ nes del período de velocidad de secado cons­ tante tendremos: (d»/do,= K ( V W A ¿ ) J (1116) Si la ecuación se integra dentro de los lími­ tes t = 0, w = n»c, r = t y w - tv, se obtiene el tiempo de desecación del período de velocidad decreciente de la siguiente forma: ' = [ P , K d ( - * )/A { (9 , - 6,)] ln (tvc- wt) / (w - wf) (11.17) En los sólidos de forma aplanada en los que la desecación sólo se produce por una de las super­ ficies mayores y en los que la difusión del agua lí­ quida controla el movimiento interno de la hu­ medad se sugiere el siguiente tipo de expresión: t = -4 cPln2 D (ln (w - wt)f(we - wf) - ln 8/x2j (11.18) donde w es el contenido medio de humedad al tiempo r de una lámina de grosor d, wc el con­ tenido inicial de humedad suponiendo que es uniforme en toda la lámina y D la difusividad del líquido. Esta ecuación es válida para valo­ res (w - h»4)/(wc - w j < 0,6. Diferenciando puede obtenerse una ecua­ ción para el cálculo de la velocidad de secado en el período de velocidad decreciente: (dwldt)j = -(D n l/4(P) (w - wt) (11.19) Estas ecuaciones de velocidad son válidas cuando la desecación de una lámina ocurre por un solo lado. Cuando el proceso es bilateral, d equivale a la mitad del espesor de la lámina. í 1.5.3. Efecto en (os características de los alimentos Todas las consideraciones teóricas anteriores corresponden a sistemas simples definidos. Sin embargo, los alimentos son complejos y hetero­ géneos y son muchos los factores de los que de­ pende el contenido crítico de humedad. Esto hace que los resultados obtenidos a través de las ecuaciones descritas sean, en muchas ocasiones, poco satisfactorios y sea necesario determinar la duración de las fases de secado mediante prue­ bas experimentales en planta piloto. El agua presente en los alimentos se encuentra forman­ do parte de disoluciones de diversos sólidos, de geles, de emulsiones o ligada de diversos modos a los componentes sólidos. Por otra parte, los tejidos vegetales y animales son de naturaleza celular, lo que condiciona el proceso de deshi- dratación. De esta forma, el comportamiento de los alimentos durante la deshidrataeión es muy variado. Así, un contenido alto de agua acelera La velocidad inicial de secado, los alimentos con un elevado porcentaje de almidones (con mayor proporción de agua ligada) apenas presentan período de velocidad constante, mientras que en los que son ricos en sustancias que absorben poca agua (sales, azúcares cristalizados, lípidos) esta fase de secado es muy importante cuanti- tativamente. La transferencia de vapor de agua es pro­ porcional a la superficie de exposición durante el período de velocidad de secado constante y al espesor en la fase de velocidad decreciente. Por tanto, es importante tener en cuenta las di­ mensiones de las partículas del alimento que se va a tratar para conseguir una adecuada regu­ lación del proceso de deshidrataeión en rela­ ción con su sensibilidad térmica y la velocidad de secado que se desea obtener. En la mayoría de los casos, al comienzo de la deshidrataeión aparece en la zona superficial una capa relativamente deshidratada hacia la que emigra el agua libre desde el centro del ali­ mento, mientras el agua ligada de la zona su­ perficial no se evapora. Dependiendo de las ca­ racterísticas de los alimentos y de las condicio­ nes de procesado, los cambios en el contenido de humedad de la superficie y del centro del alimento a lo largo del secado pueden produ­ cirse a distinta velocidad y dar lugar a diversos cambios y alteraciones, entre las que destacan, por su intensidad y frecuencia, tres: A ) Endurecimiento superficial Puede producirse por múltiples vías y bajo la influencia de diversos factores. Cuando el se­ cado inicial es muy rápido (con aire que pre­ senta una fuerte diferencia entre la temperatu­ ra de bulbo seco y húmedo), el vapor de agua puede eliminarse de la superficie del producto con mayor rapidez que con la que el agua se desplaza desde el centro del alimento. En estas condiciones puede aparecer (en frutas, carnes, pescado, embutidos) una fuerte retracción de la capa superficial, que se comporta como una película dura e impermeable y ofrece una fuer­ te resistencia a la posterior transferencia de va­ por. Para retrasar la evaporación y evitar estos problemas puede utilizarse aire de humedad relativa elevada, a baja velocidad y a una tem­ peratura adecuada para favorecer la difusión interna del agua del alimento. En muchos ali­ mentos no existe peligro de formación de cor­ teza y, por lo tanto, la deshidratación puede re­ alizarse a mayor velocidad. En algunos casos, la formación de corteia {case hardening) se debe a la concentración de azúcares en estado vitreo. El endurecimiento superficial también puede producirse por las elevadas temperaturas que se alcanzan en las ca­ pas extemas al final de la desecación que indu­ cen complejos cambios físicos y químicos. B) Movimiento de sólidos solubles Es frecuente, especialmente cuando el seca­ do inicial es lento, que las sustancias solubles en agua (sales y azúcares sobre todo) sean arrastra­ das por el agua desde el centro hada la superfi- de. donde se concentran y pueden llegar a cris­ talizar o formar una capa amorfa, de aspecto pe­ gajoso e impermeable que dificulta el paso de vapor de agua. El movimiento de algunos com­ puestos solubles puede estar impedido por las paredes celulares (membranas semipermeables). Por otra parte, la retracdón de los productos fa­ vorece la migración de los sólidos ya que contri­ buye a crear presión en el interior de las piezas. El resultado de estos hechos es la concen- tración y el depósito de componentes solubles en la superfide del producto al evaporarse el agua. El establedmiento de esta capa externa por concentradón puede provocar por ósmosis un movimiento en el sentido opuesto al de su formadón. es decir la migración de las sustan­ cias solubles hacia el interior del alimento don­ de la concentradón es menor. El que predomi­ ne un tipo u otro de migradón depende de las características del producto y de las condicio­ nes de secado, pero ambas se producen duran­ te la desecadón de los alimentos. C) Retracción Los alimentos (tejidos animales y vegetales) experimentan^durante la deshidratadón un der- to grado de retracción que puede considerarse propordonat a la salida progresiva del agua de las células. Los productos coloidales también se retraen cuando se deshidratan. Esta contracdón o retracdón es mucho más acusada cuando la deshidratadón es lenta y se produce a pesar de la resistenda de los elementos estructurales de los tejidos (figura 11.24). En las primeras fases de secado, el nivel de retracdón está relaciona­ do con la cantidad de humedad eliminada. Ha­ da el final del secado la retracdón es cada vez menor, de forma que el tamaño y la forma defi­ nitiva del producto se alcanza antes de comple­ tarse el proceso. Por tanto, si el secado se realiza de forma lenta (especialmente en su inicio) el producto se retrae, con la consiguiente reduc- dón de volumen, tiene una aparienda distinta a la inicial y es más denso (figura 11,24.a). Cuando el secado es rápido, la formadón de una capa deshidratada y rígida en la superficie del alimento sirve para fijar el volumen final del producto. La posterior deshidratadón del inte­ rior del alimento puede provocar .desgarra­ mientos y vados internos. En los casos en los que el secado es muy rápido, la transferencia de agua puede hacerse en forma de vapor. Así, el producto resultante conserva prácticamente Ih FiCURA 11.24. Característico! de los alimentos deshidratados en relación con la velocidad de secado: a} lenta y b) rápida. forma y volumen iniciales, es ligero y menos denso (figura U.24.b). Presenta, además, una estructura porosa que facilita la rehidratación. Sin embargo, esta última característica les hace más sensibles a las alteraciones oxidativas. La retracción de los alimentos durante el se­ cado puede condicionar las velocidades de des­ hidratación como consecuencia de la reducción del área superficial y de la creación de gradien­ tes de presión en el interior del producto. Durante la deshidratación también pueden presentarse otro tipo de alteraciones (sobre to­ do si la temperatura es relativamente elevada), entre las que pueden citarse las siguientes: 1. El almidón puede gelatinizarse, adsor­ biendo fuertemente el agua. Esto origina la formación de una capa impermeable al vapor de agua en la superficie. 2. Los componentes termoplásticos se fun- den.y ablandan dando lugar a problemas de aglomeración y de adherencia al en­ vase. 3. Cambios del estado cristalino al amorfo (especialmente en azúcares). 4. Pardeamiento no enzimático, favoreci­ do por la temperatura alcanzada duran­ te el procesado y el aumento de solutos en el alimento. La velocidad de pardea­ miento es máxima para una aw en tom o a 0,6, por lo que se aconseja mantener el alimento en estos valores el menor tiem­ po posible realizando una deshidratación rápida. El pardeamiento no enzimático modifica desfavorablemente el color, sa­ bor, valor nutritivo y, a veces también, la capacidad de rehidratación de los ali­ mentos; este pardeamiento puede ser in­ hibido parcialmente con el empleo de anhídrido sulfuroso (capítulo 5). 5. Pérdida por evaporación de sustancias aromáticas volátiles. Este hecho depende de la masa molecular, de la presión de va­ por y de la solubilidad en el agua de esas sustancias. La influencia de las condicio­ nes de deshidratación en estas pérdidas es poco conocida. Aunque durante el procesado la temperatura sea relativa­ mente elevada y la presión parcial de va­ por de agua baja, las sustancias aromáti­ cas volátiles sólo se pierden parcialmen­ te (incluso cuando se trabaja bajo un cierto grado de vacío), lo que se debe a que su difusión a través de la materia se­ ca es inferior a la del agua. Por otra par­ te, estas sustancias son retenidas y adsor- bidas por distintas estructuras y com­ puestos. Tal es el caso de las microrredes amorfas establecidas por moléculas de glúcidos unidas por puentes de hidróge­ no. La rehumidiGcación origina la crista­ lización de azúcares y la liberación par­ cial de las sustancias aromáticas. En el caso de la deshidratación de purés de le­ gumbres y de frutas pueden adicionarse almidón o dextrinas, que mejoran la re­ tención de sustancias volátiles y reducen los fenómenos termoplásticos. 6. Disminución de la capacidad de reten­ ción de agua, que puede deberse a la des­ naturalización y agregación de las proteí­ nas consecuentes al incremento de la temperatura y de la concentración de sa­ les, así como a la desorción del agua. También puede relacionarse con la de­ sestabilización de geles (de pectinas y al­ midones) y a la modificación de la pre­ sión osmótica causada por la destrucción de membranas celulares. 7. Cambios de textura. Los productos rehi- dratados no recuperan la turgencia (car­ ne, frutas) ni el carácter crujiente (hortali­ zas) de ios productos frescos. Las pérdi­ das de textura están, generalmente, relacionadas con la gelatinización del al­ midón, la cristalización de la celulosa y con las tensiones internas creadas por las variaciones locales del conteaido de agua. Estas últimas pueden originar lesiones permanentes ea las células. En el caso de la carne deshidratada, las alteraciones de textura se deben fundamentalmente a la agregación y desnaturalización de las pro­ teínas durante el proceso. Estos cambios se traducen en un descanso de la cañad- dad de retención de agua (volumen II, ca­ pítulo 8) y un incremento de la dureza. 8. Pérdidas del valor nutritivo, sobre todo debido a la destrucción parcial de algunas vitaminas (A y C) por oxidadón. La adi­ ción de sulñtos puede motivar la dismi- nurión en el contenido de vitamina B,. 9. Cambios en el color. La.deshi;lratación provoca cambios en la superfic.e del ali­ mento que modifican su reftectanda. Los carotenos y las clorofilas pueden afectarse por el incremento de la temperatura y su­ frir oxidadones durante el procesado. Por otra parte, durante el almacenamiento pueden presentarse problemas de pardea­ miento enzimático, el cual puede preve­ nirse realizando un escaldado previo y tra­ tando algunas frutas con áddo ascórbico. 11.5.4. Equipos y aplicaciones Los equipos utilizados para la deshidrata­ dón pueden clasificarse teniendo en cuenta distintos aspectos. Así, hay equipos que traba­ jan a presión atmosférica, mientras que otros io hacen bajo cierto grado de vacío. En si cuadro 11.3 se enumeran los métodos»de deshidrata­ ción atendiendo a la forma en que se transmite la energía en ellos. La elección de un procedimiento de secado depende de las características físicas (viscosi­ dad en los líquidos, tamaño en los sólidos) y químicas (sensibilidad térmica, predisposición para la oxidación) del producto, así como de la diversidad y cantidad de alimento a procesar. También hay que tener en cuenta la calidad del producto que se desee obtener. Algunos pro­ ductos pueden deshidratarse en dos etapas por procedimientos distintos. A) Deshidratación con aire caliente En estos equipos el alimento se pone en contacto con una corriente de aire caliente que, principalmente por convección, aporta el calor sensible y el calor latente de evaporación. El aire, además, arrastra el vapor de agua libera­ do del alimento. En muchos de estos equipos, la velocidad de deshidratación y las características del pro­ ducto final dependen en gran medida del moví- ClMOtO 11 .3 . Métodos do dothidrotoción más empicado» on la InduUrio Alimentaria. 1. OeSHtORAlAOÓN CON ARE CAUENTE El alimenta h pone en contacta con uno comiente de oi­ ré caliente. El calor se aporta al producto principalmente por convección 1.1. Secadero de dos plontas 1.2. Secodero de cofaina, bandejas o compartimentos 1.3. Secadero de tolva 1.4. Secodero de túnel 1.5. Secodero rotatorio I.ó. Secadero transportador 1.7. Secodero de lecho Ruldlzado 1.8. Secodero neumático 1.9. Secadero atomizador 2. DESHIDRATAC1ÓN POR CONTACTO DIRECTO CON UNA SUPERFICIE CAUENTE El calor se aporto principalmente por conducción 2 .1. Secadero de tambor o de rodillos 2 .1 .o. Secodero de tambor único 2.1 .b. Secadero de tambor doble 2.1 .c. Secodero de tambores gemelos 2 .1 .d. Secodero de tambor a vocto 2.2. Secodero a vacio de placas 2.3. Secadero a vacio de cinta sinfín 3. DESHIDRATAOÓN POR APORTE DE ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA El calor se aporta principalmente por radiación, energía microondas o por calentamiento dieléctrico 3.1. Secodero infrarrojo continuo 3.2. Secodero con microondas 3.3. Secadera con calentamiento dieléctrico 4. DESHIDRATACIÓN POR EVAPORACIÓN SÚBITA miento relativo del aire y del producto, el cual puede ser básicamente de cuatro formas: 1. Flujo concurrente. El producto y el aire se mueven en igual dirección y sentido. Este sistema permite una rápida deshidrata- ción inicial porque la temperatura del aire en el punto de entrada del producto suele ser alta. Sin embargo, la temperatura de su superficie es muy inferior a la tempera­ tura de bulbo seco del aire, lo cual supone un mínimo deterioro por cálor del pro­ ducto. Además, el alimento estará en con­ tacto con aire cada vez más frío y más hú­ medo, reduciéndose progresivamente el riesgo de dicho deterioro. Por otra parte, la alta velocidad inicial de deshidrataeión asegura una mínima retracción del pro­ ducto y una baja densidad en el producto final. Un aspecto negativo es ia disminu­ ción progresiva de la velocidad de deshi- dratación, como consecuencia de la men­ cionada reducción del potencial de secado del aire a medida que avanza hacia la sali­ da del equipo. D e esto se deduce, ade­ más, que será difícil obtener productos fi­ nales con un bajo contenido de humedad. 2. Flujo en contracorriente. El producto y el aire se mueven con igual dirección pero, a diferencia del anterior, en sentido opuesto. El aire con el que se encuentra el producto al entrar en el equipo tiene escasa capacidad de secado, por lo que la velocidad de deshidrataeión es muy lenta al principio. Esto hace que la retracción del producto sea muy pronunciada y su densidad final más elevada que en el caso anterior. También es superior el riesgo de alteración del producto al estar en con­ tacto con aire húmedo y relativamente caliente durante un período de tiempo considerable. Con este sistema los pro­ ductos finales tienen un contenido de agua muy bajo, porque contactan con ai­ re caliente y seco, con un elevado poten­ cial de secado, en la zona del equipo pró­ xima a la salida. En contrapartida, el ries­ go de sobrecalentamiento del alimento será mayor. El gasto energético es infe­ rior que el dei sistema concurrente. 3. Flujo con evacuación central de aire. Para evitar los inconvenientes de los sistemas anteriores, a menudo se combinan emple­ ando primero un flujo concurrente, con aire más caliente y a mayor velocidad, y a continuación un flujo en contracorriente, con aire más Crío y seco. De esta forma se acortan los tiempos de secado y se au­ menta la capacidad de producción, siendo más fácil el control de las condiciones. 4. Flujo transversal. La dirección del mo­ vimiento del aire en este sistema es per­ pendicular a la del producto. Las condi­ ciones de secado se controlan más fácil­ mente porque existen varios calentadores en las distintas zonas y el tiempo de pro­ cesado se reduce. El contenido de hume­ dad del producto final es más homogéneo por el movimiento del aire, que cambia varias veces de dirección a lo largo del equipo. El coste del equipo es superior por su complejidad. El equipo más sencillo para la deshidrata­ ción de alimentos es e! secadero de dos plantas. de operación discontinua. Es un edificio de dos plantas con un horno o quemador en la infe­ rior, donde se genera el aire caliente que as­ ciende por convección a la superior. E n ésta, y sobre un piso enrejillado, se distribuye el pro­ ducto sólido y húmedo que se va a tratar en ca­ pas de unos 20 cm de espesor. El aire, húmedo tras atravesar el lecho del producto, sale por una chimenea que se encuentra en el piso su­ perior. Aunque este equipo es de construcción sencilla, tiene varios inconvenientes: ei control de la operación es difícil, el tiempo necesario para la deshidratación es muy prolongado, el' contenido de humedad final dei producto no es muy reducido y requiere mucha mano de obra, pues (a carga, el volteo y la descarga del pro­ ducto son manuales. A pesar de ello, todavía se emplean para finalizar el secado de algunos productos con un bajo contenido en humedad y con lenta velocidad de deshidratación (lúpu­ lo, malta y rodajas de manzana), para los cua­ les no supondría una ventaja económica em­ plear equipos con mayor capacidad de secado. Los secaderos de cabina, bandejas o com ­ partimentos son similares a los anteriores, pero permiten distribuir los productos en capas más finas (de unos pocos centímetros) en bandejas que se encuentran en el interior de una cabina aislada. El aire se mueve gracias a ventiladores que lo impulsan a través de calentadores (que­ madores directos de gas, serpentines calenta­ dos con vapor o resistencias eléctricas). Para que la deshidratación sea homogénea se em­ plean pantallas, deflectores o conductos que di­ rigen el aire sobre el producto (2-5 m r 1) o a través de bandejas perforadas (0,5-1.25 ra s*’). Son económicos en cuanto a su construcción y mantenimiento, pero sólo son adecuados para operación a pequeña escala (1-20 T/día) o en plantas piloto. Su principal aplicación es el se­ cado de porciones de frutas y hortalizas. Los secaderos de tolva son instalaciones ci­ lindricas o rectangulares, en las que el produc­ to se distribuye sobre una malla perforada. El flujo de aire caliente es moderado (aproxima­ damente 0,5 m3 s’1 por m2 de superficie) y el producto se puede voltear periódicamente. Se utilizan como Analizadores, para reducir el contenido de humedad de productos tratados en otros equipos desde un 15% hasta un 3-6%, así como para homogeneizar su contenido de humedad (lúpulo, malta, rodajas de manza­ nas). Los productos han de ser resistentes a la deformación mecánica, porque pueden estar sometidos a presiones relativamente elevadas, y mantener un lecho con estructura porosa. Los secaderos de túnel, de hasta 24 m de lon­ gitud y con una sección circular o rectangular de 2 x 2 m, permiten una operación continua o se- micontinua y, por lo tanto, una mayor produc­ ción. El producto se distribuye en capas unifor­ mes sobre bandejas que se disponen en vagone­ tas o carros, de tal forma que quede un espacio adecuado entre las bandejas para la circulación del aire. Los ventiladores fuerzan el paso del ai­ re a través de calentadores, el cual se mueve ho- rizontalmente con respecto a las bandejas a una velocidad de 2,5-6 m s*1. Dependiendo de la. di­ rección relativa del movimiento del aire y del producto se distinguen varios tipos de túnel: concurrente, en contracorriente, de evacuación central y de flujo transversal (figura 11.25). Salida Canos con Catanador da afra bandejas Ventilador,. Entrada Moví.-ríanlo: j daalra m e . ») Salda da, alia Entrad* fLLi g yda aire i _ Í R I S aldada aíro Entrada deaira' alimsnm Movir liento: _ tira eSmonto^ Moví Trienio: â -e tímenlo mÜijg Entrada 'd e aire Entrada de carros laidoS aldada carros Entrada de carrosíy z / / Salda de aire Calentadores Sttrada » f deaira f FIGURA 11.25. Secaderos de túnel: o) concurrente; b] a contracorriente; c] de salida de aire central; y d) de Flujo transverscl. Los secaderos rotatorios también son de operación continua (figura 11.26). Consisten en cámaras cilindricas inclinadas que, al girar, mantienen el producto en continuo movimien­ to. El cilindro está provisto de palas o aletas in­ ternas para favorecer la mezcla del producto, su contacto con el aire caliente y evitar que se adhiera a las paredes. El modo de calentamien­ to puede ser directo, cuando los productos es­ tán en contacto Intimo con el aire caliente (fi­ gura lT\26.a) o indirecto, cuando éste circula por el exterior de la cámara y el calentamiento es, entonces, por conducción y radiación a tra­ vés de la pared de la misma (figura U .26.e). Algunos equipos combinan ambos modos de calentamiento (figura 11.26.d). La circulación * ( b) i de! aire y de! producto puede ser concurrente o en contracorriente (figuras 11.26.b y c). Estos secaderos son adecuados para productos que tienen tendencia a la adhesión y cierta resisten­ cia mecánica (pastillas de caldo de carne, azú­ car cristalizado y semillas de cacao). Los secaderos transportadores o de cinta sin­ fín tienen un funcionamiento muy similar a los de túnel, a los cuales están reemplazando pro­ gresivamente. El transporte del producto a lo largo del túnel se hace sobre una cinta sinfín, siendo la carga y la descarga automát cas. Aun­ que el movimiento del aire y del producto pue­ de ser concurrente o en contracorriente, lo más habitual es que sea transversal al producto: con flujo ascendente en la primera parte c'el túnel y descendente al final, cuando el producto tiene menos densidad para evitar que se separe de la cinta. El secado es más rápido porque el pro­ ducto, distribuido en capas de poco espesor, tie­ ne un elevado contacto con el aire. Para ahorrar energía, el producto permanece en el túnel has­ ta que su contenido de humedad se ha reducido hasta un 10-15%, pasando a continuación a se­ caderos de tolva, donde finaliza su deshidrata­ ción. La principal aplicación es el secado de pro­ ductos sólidos, como frutas y hortalizas picadas. Estos equipos también se pueden adaptar para productos líquidos (deshidratación en espuma). Para ello, el líquido se mezcla con un agente es­ pumante y se incorpora aire o un gas inerte. La espuma formada se extiende en una fina capa (2-3 mm) sobre una cinta de malla metálica per­ forada en tiras o en láminas a las que se aplica un chorro de aire comprimido para formar crá­ teres en la espuma extendida. El objetivo es au­ mentar la superficie de exposición de la espuma al aire caliente para acelerar la velocidad de des­ hidratadón. E l secado sed u ce cp x p iú b c I c*" flujo concurrente inicial, seguido de un flujo a contracorriente. Los productos finales, como por ejemplo zumos de frutas, son de una exce­ lente calidad (tiempo de procesado corto y bajas temperaturas) y se rehidratan fácilmente. En los secaderos de lecho fluidizado. el aire caliente no sólo actúa como medio de deshidra- FlCUXA 11.20. Secaderos roláronos: o) de calenta­ miento directo; b) de Rujo concurrente; c) de flujo en contracorriente; d| de calentamiento mixto directo- indirecto; y e) de calentamiento directo, por conduc­ ción. Las Rechas sólidas indican el movimiento del producto y los rayadas el del aire caliente. tación de los productos, sino que también favo­ rece su movimiento (figura 11.27). El aire atra­ viesa el lecho del producto dispuesto sobre una placa perforada, ajustando su velocidad para que las partículas se mantengan en agitación continua. Las condiciones de flujo turbulento FlGUHA 11.27. Secodero de lecho Ruidizado de operación continua y con sistema de recuperación de finos. Loe flechas sólidas indican el movimiento del producto y las rayadas el del aire. en el lecho del producto, con un pequeño espe­ sor de la capa límite, determinan que la veloci­ dad de secado sea más rápida. Cuando la deshi- dratación final alcanzada no es completa y uni­ forme, lo cual ocurre a veces cuando el equipo funciona en continuo, el producto pasa a conti­ nuación a otro tipo de secadero. Para la recupe­ ración de finos, en el conducto de salida se pue­ de acoplar un ciclón separador. La deshidrata- ción en lecho fluidizado sólo es aplicable a sólidos particulados susceptibles de fluidiza- ción, es decir, de tamaño relativamente unifor­ me y con cierta resistencia mecánica, como por ejemplo cubos de carne, guisantes, cereales, etc. El principio de funcionamiento del secadero neumático es similar al secadero de lecho fluidi­ zado, ya que también se basa en la aplicación de convección forzada para dispersar el produc­ to, aunque en este caso el grado de dispersión logrado es total. Estos equipos constan de con­ ductos metálicos verticales u horizontales, cuya longitud se ajusta para que el tiempo de resi­ dencia del producto sea el adecuado para su se­ cado, que suele ser del orden de segundos (figu­ ra 11.28). El aire caliente circula a mayor velo­ cidad que en los secaderos de lecho fluidizado, de tal forma que transporta el producto al mis­ mo tiempo que lo deshidrata. El flujo del aire se ajusta para clasificar las panículas: las más pequeñas y ligeras, que se secan antes, son transportadas rápidam ente por los conductos hacia la salida, mientras que las más grandes y húmedas permanecen en suspensión más tiem ­ po. Para aumentar el tiempo de residencia del producto en estos secaderos se pueden em plear varías columnas en serie o sistemas de recircu­ lación de productos como se muestra en las fi­ guras 11.28. a y b, respectivamente. O tra alter­ nativa, cuando se requieren tiempos de secado más prolongados, es emplear secaderos neum á­ ticos en anillo, en los que el producto puede perm anecer durante varios minutos hasta que se completa su secado. A la salida del conducto se disponen ciclones o filtros para separar el producto seco del aire. Estos secaderos son muy útiles para deshidratar y transportar simul­ táneamente algunos productos, como granos de cereales, harinas o copos de patata. O tra aplica­ ción es como secaderos secundarios, para fm?íi- zar el secado de productos parcialmente deshi- •) Air* principa] t» Alimentación Aire I XTVenSador (/ V d e s a íd a Rtro l Saudade i producto Recirculación da producto antOador principal Vanturf Fig u r a I 1. 28. Secoderos neumáticos: o] con varios conductos an serie; y b ) con recirculación de producto. dratados en otros equipos de los cuales salen con un contenido de humedad del 25% (leche y ovoproductos en polvo). E n am bos casos los productos han de ser sólidos particulados y con poca tendencia a form ar agregados. El equipo más im portante para la deshidra- tación de productos líquidos con aire caliente en la Industria A lim entaria es el secadero ato­ mizador. El producto líquido se subdivide en gotas muy pequeñas en el in terior de una cá­ mara, donde se ponen en contacto con aire ca­ liente. La evaporación del agua de las gotas es prácticam ente instantánea, transform ándose cada gota en una partícula seca que es trans­ portada por el aire de secado. A continuación, y a la salida de la cámara, las partículas secas se separan de la corriente de aire en la que están suspendidas y se recogen para su envasado. La velocidad de deshidratación ec muy alta po r­ que el área superficial de tas partículas es muy grande y la tem peratura del aire es elevada (150-300 °C). Sin embargo* el riesgo de sobre­ calentamiento del producto es mínimo porque la temperatura de la superficie de las partículas norm alm ente no supera la temperatura de bul­ bo húmedo dsl aire de secado (40-70 8C), por el enfriam iento asociado con la evaporación del agua, y porque su tiempo de residencia en la cám ara es breve (1-10 s). Los tres elem entos esenciales de este tipo de secaderos son el atomizador (al que debe su nom bre), la cámara de secado y un sistema pa­ ra la recolección de las partículas secas; tiene, además, ventiladores y calentadores de aire. U no de los aspectos más críticos en estos equipos es la atomización del producto. Para que la deshidraración sea rápida y uniforme es fundam ental obtener una aspersión de gotas con un tam año pequeño y homogéneo. A de­ más, el tam año de las gotas determinará el de las partículas secas finales. Los tres tipos de atom izadores rrás frecuentes son: 1. Atom izador de boquilla a presión. El lí­ qu ido pasa a g 'an presión (800-2.400 kPa) a través de un estrecho orificio y forma una as­ persión de partículas finas (180-250 pm) en for­ ma de cono hueco. La geometría de la boquilla determ ina el ángulo defcono de la aspersión. 2. A tom izador de boquilla de dos fluidos. El líquido se bombea a baja presión, tan sólo para inducir su movimiento, introduciéndose a! mismo tiem po un chorro de aire comprimido que provoca una fuerte turbulencia y la atomi­ zación deseada del líquido. La distribución del tam año de las partículas es más amplia que en el caso anterior. Estos dos atom izadores no son adecuados para m ateriales líquidos con pequeñas partícu­ las, por la posibilidad de obturación, o cuando éstas son abrasivas, porque la boquilla se en­ sancha y el tam año de las partículas aumenta progresivamente. 3. A tom izador centrífugo. La atomización se logra bom beando el líquido a un disco gira­ torio (150-350 mm de diám etro, 15.000 rpm), que se encuentra en el extrem o de un eje, don­ de es acelerado y del que sale por unos canales radiales (figura 12.5). Se caracteriza por lograr una aspersión de gotas con tamaño pequeño y muy uniforme (50-60 pm); el tamaño de las go­ tas depende de las características del líquido (viscosidad y tensión superficial) y de la veloci­ dad de giro del disco. Este tipo de atomizado­ res son los más utilizados ya que permiten ma­ nejar líquidos muy viscosos, no se obturan con facilidad y son resistentes a la abrasión. E l ángulo de salida y la trayectoria de las gotas también es muy importante. Si las gotas contactan con las paredes de la cámara antes de que se complete su deshidratación, queda­ rán adheridas a ellas, puesto que son pegajosas, y formarán una costra difícil de eliminar. En la cámara de secado las gotas finamente dispersas han de contactar con el aire caliente el tiempo suficiente para su secado. Estas cá­ maras tienen diferentes formas según el tipo de atom izador empleado (figura 11.29) y el pro­ ducto a tratar (horizontales o verticales, cilin­ dricas o rectangulares, cónicas o de fondo pla­ no, etc.); para los atom izadores centrífugos, por ejemplo, la cámara más frecuente es la có­ nica. El aire caliente y las gotas atom izadas pueden entrar en la cámara por la parte supe­ rior o por la inferior, bien conjuntamente o por separado. La trayectoria de las partículas pue­ de ser recta o en espiral; el grado de deshidra­ tación será mayor con una trayectoria en espi­ ral puesto que el tiempo de residencia de la partícula en la cámara es mayor. La circulación del aire normalmente es concurrente con la del producto para limitar el daño por calor, aunque para ios materiales muy higroscópicos es más adecuada una circulación en contracorriente. Las partículas secas generalm ente caen al fondo de la cámara, de donde salen mediante un tom illo sinfín o por transporte neumático. A unque hay una cierta sedimentación de estas partículas secas en la misma cám ara, normal­ mente es necesario acoplar sistemas secunda­ rios par» la recuperación de los finos arrastra­ dos por eVaire. La finalidad es evitar canto pér­ didas económicas como la polución del aire. Uno de los sistemas más habituales son los ci­ clones, de los cuales pueden disponerse incluso varias unidades en serie (figura 11.30). Otros Las principales ventajas de la deshidratación por atomización son: gran calidad de los pro­ ductos obtenidos, ripie a velocidad de secado (segundos), elevado volumen de producto pro­ cesado (en algunas instt laciones hasta 80 tone­ ladas por d ía), m enor coste de la m ano de obra, asi como sencillez de operación y m ante­ nimiento. El coste del equipo y de operación son las principales desventajas, junto con la ne­ cesidad de un contenid o inicial de agua en el producto relativamente alto para que se pueda bombear y atomizar. Cada aplicación conc reta requiere un equi­ po con un diseño específico. Los productos que habitualm ente se deshidratan m ediante esta técnica son líquidos o pastas y purés con una viscosidad adecuada para ser atomizados, como leche, suero, caseínas, ovoproductos, prepara­ dos para alimentación infantil, café, té, proteí­ nas, aromas encapsuladcs, extractos de carne y levaduras, etc. Los productos termoplásticos, con un contenido elevado de azúcar y otros só­ lidos solubles (zumos de fruta o de tomate), tie­ nen tendencia a fundirse y pegarse a las paredes de la cámara incluso cuando están secos. Por ello es necesario enfriar la pane inferior de la pared interna de la cámara y/o añadir compues­ tos que reduzcan la tendencia del polvo deshi­ dratado a pegarse a las paredes de la cámara. Figura 11.29. Secaderos atomizadores: a) cámara cilindrica alargada, con atomizador de dos fluidos; y b) cámara cónica con atomizador centrifugo. m étodos alternativos o com plem entarios son los filtros de tela (0,3 m de diámetro, 1 m de largo), separadores húmedos (en los que el aire pasa por un recipiente con liquido donde que­ dan retenidas las partículas sólidas y que se mezcla a continuación con el líquido de entra­ da), y sistemas de precipitación electrostática. La combinación de alguoos de estos sistemas permite recuperar basta el 99% de los sólidos contenidos en la corriente de aire de salida. B) Deshidratación por contacto con una superficie caliente El calor sensible y el calor latente de evapo­ ración son, en este caso, aportados por conduc­ ción, al poner el producto húmedo sobre una superficie caliente. La eficacia térmica es supe­ rior que e n e l secado con aire caliente, ya que no es necesario calentar un gran volumen de aire. Si el secado se hace a presión atmosférica, cuando la difusión del líquido del interior a la superficie del producto disminuye, la tem pera­ tura de éste puede llegar a superar los 100 °G Por ello, para alim entos sensibles al calor la operación se lleva a cabo a presión reducida; SaM a Fig u r a 11. 30. D iagram a cié un secodaro atom izador. esto también permite la exclusión del oxígeno, reduciendo el riesgo de alteración en produc­ tos sensibles a la oxidación. La distribución del producto en la superfi­ cie caliente es un aspecto fundam ental. Para favorecer la transmisión de calor y de masa y ev itar un calentam iento excesivo, la capa de producto ha de ser muy delgada; hay que tener en cuenta que la conductividad térmica de los alimentos es, en general, baja y que disminuye a m edida que se reduce su contenido de agua. También es im portante ev itar la contracción del producto durante el secado, porque al dis­ m inuir su contacto con la superficie caliente se dificulta la transmisión de calor. Asimismo hay que eliminar el vapor de agua que se despren­ de del producto, lo cual se puede hacer con una corriente de aire. Los secaderos de tambor, también denomi­ nados de rodillos o de película, son cilindros m etálicos huecos que giran horizontalm ente. Por su interior circula el medio de calentamien­ to, generalmente vapor a presión, alcanzando la superficie del cilindro unos 120-170 °C. El p ro­ ducto, líquido o en forma de papilla, se aplica como una fina capa sobre la superficie extem a dé! tambor. La deshidratación del producto fi­ naliza antes de que el tam bor complete el giro (de 20 segundos a 3 minutos), despegándose de su superficie con una cuchilla o rascador que se sitúa a unos 3/4 de revolución del punto de aplicación del producto. Estos secaderos se clasifican según el núm e­ ro de tambores: único, doble o gemelos (figura 11.31). Hay múltiples sistemas para aplicar el producto a la superficie del tam bor: inmersión en baño, aspersión, rodillos de alim entación auxiliares, etc. La elección del m étodo de ali­ mentación es de gran importancia para que el grosor de la película sea adecuado y dependerá de las características del producto (contenido en sólidos, propiedades Teológicas, etc.). Los secaderos de tambor permiten una pro­ ducción elevada y son muy económicos. Son úti­ les para alimentos relativamente resistentes al calor (copos de patata, leche, suero, sopas, cerea­ les instantáneos), aunque los productos finales suelen tener sabor y olor a cocido. Los materia­ les termoplásticos (zumos de frutas), sin em bar­ go, son más difíciles de tratar. E n este caso es Fig u r a 1 1 . 31. Diferentes configuraciones y m odo de alimentación de tos secoderos de tambor o rodillos: a ) de tam bor único; b) de tambor doble; y c) de tambores gemelos. conveniente aplicar frío en la zona inmedia­ tamente anterior a las cuchillas, por ejemplo me­ diante un chorro de aire, para que el producto sea quebradizo y menos pegajoso. Cuando ope­ rando a presión atmosférica esto no es suficiente, se han de utilizar secaderos de tambor a vacío. El mayor coste asociado a la generación y al mante­ nimiento de condiciones de presión reducida, lo cual permite em plear tem peraturas más bajas durante la operación, determina que su uso se li­ mite a la obtención de productos de gran calidad. Los equipos en los que se aplica vacío tie­ nen cuatro com ponentes fundam entales: una cámara hermética de vacío de construcción ro­ busta con puntos de en trada y salida para el producto y los gases y vapores; una fuente de calor; un sistema para generar y m antener el vacío (0,13-933 kPa), como una bomba de va­ cío o un eyector de vapor, y com ponentes para retirar el vapor de agua a medida que se eva­ pora del alim ento, bien el mismo eyector de vapor o un condensador. El secadero a vacío de placas es probable­ mente el equipo a vacio más sencillo y opera de forma discontinua. En una cámara se disponen placas huecas horizontales y paralelas, calenta­ das internamente por la circulación de agua ca­ liente o vapor de agua, sobre las que se extiende el alimento en capas uniformes y delgadas. Es adecuado u n to para alim entos líquidos como sólidos. En el secadero a vacio de cinta sinfín los alimentos líquidos o papillas se aplican a una cinta transportadora continua de acero inoxida­ ble (figura 1132). E su cinta, situada en el inte­ rior de una cámara de vacío, se desplaza sobre dos tambores: uno de calentamiento y otro de enfriamiento. El tam bor caliente y los elemen­ tos calentadores radiantes, situados por encima y debajo de la cinta sinfín, aportan el calor nece­ sario para la operación. El producto se enfría a su paso por el tambor de enfriamiento, antes de ser separado de la cinta con una cuchilla. La principal aplicación de estos equipos es la deshidratación de alim entos muy sensibles al Fuentes le calor radiante el producto de alimentaciói Fig u r a I ! .32. Secadero o vacio de cinto iinfin. calor, como zumos de fruta, tomate concentra­ do y extractos de café. Los productos así trata­ dos, en especial los líquidos, tienen una estruc­ tura esponjosa porque se expanden al aplicar vacío en la cámara por la liberación de gises y vapores. E sta estructura porosa favorece una rápida velocidad de secado y de posterior rehi- dratación. Si se desea que el producto final sea muy poroso se puede inyectar previamente ni­ trógeno gaseoso; al aplicar vacío, el gas se ex­ pande y sale rápidamente del producto, aumen­ tando su enponjosidad. C) Deshidratación por aporte de energía electromagnética En los equipos descritos anteriormente el ca­ lor radiante, procedente de sus superficies metá­ licas calientes, participa en cierta medida apor­ tando calor sensible y calor latente de evapora­ ción. Sin.embargo, no es habitual emplear calor radiante como principal fuente de calor. Esto se debe a que sólo un cierto rango de longitudes de onda tienen una profundidad de penetración adecuada en el alimento. Además, es difícil lo­ grar un secado homogéneo cuando la superficie de los alimentos no es regular o si sus compo­ nentes difieren en cuanto a las características de absorción de calor (capítulo 9). Sin embargo, en este caso el grado de contacto del alimento con las superficies no es un factor crítico. En los secaderos infrarrojos continuos el ali­ m ento es transportado en una cinta continua o un soporte vibratorio, que los hace pasar por una fuente de infrarrojos. Para alimentos sensi­ bles al calor se emplean fuentes que emiten on­ da corta, mientras que para los menos sensibles se utilizan las de onda larga El secado de pro­ ductos sólidos, como rebanadas de pan, té. espe­ cias, almendras o pan, es su principal aplicación. Los secaderos microondas y dieléctricos em ­ plean energía electromagnética en un rango de frecuencia dado (capitulo 9) Tienen la ventaja de que esta energía es absorbida selectivamen­ te por las porciones húm edas del alim ento, mientras que las partes ya secas prácticamente no se calientan (capítulo 9). Es decir, el de te ­ rioro térmico del producto es mínimo Sin em ­ bargo, el gasto energético que requiere la eli­ minación de una gran cantidad de agua en este tipo de e.quipos es elevado. Por ello, se utilizan fundam entalmente para finalizar y acelerar la deshidratación, cuando la velocidad de secado se reduce en los sistem as convencionales. El calentam iento dieléctrico se ha aplicado para secar galletas y otros productos derivados de cereales, m ientras que el calentam iento con m icroondas se emplea cnmercialmente con éxi­ to para el secado de pas'as. D) Deshidratación por e ■■aporación súbita (explosión puff drying) Este procedimiento se utiliza para productos que han sido parcialmente deshidratados, gene­ ralm ente con aire caliente, hasta un contenido de humedad entre 15 y 1-5%; es decir, hasta que la curva de secado comirnza a pasar al periodo de velocidad reducida. /V continuación, las pie­ zas de alim ento se introducen en una cámara donde se someten a un incremento de tempera­ tura y presión. Estas condiciones se desarrollan por calentamiento extem o con gas y/o interno con vapor sobrecalentaco. El incremento de la presión se regula con el objetivo de mantener el alim ento a una tejnperatura inferior a la del punto de ebullición en dichas condiciones. La descompresión inmediata de la cámara provoca que et agua sobrecalentada del alimento se eva­ pore súbitam ente. De esta forma, se produce una deshidratación instantánea en la que el pro­ ducto se expande y adquiere una estructura muy porosa que facilita su posterior rehidratación. Las condiciones necesarias para una deshi­ dratación súbita (increm ento de la temperatura y presión y descom presión rápida) también pueden darse en la extrusión en caliente con los mismos resultados (capítulo 12). Este procedimiento de deshidratación, em­ pleado originalm ente para la elaboración de ciertos cereales de desayuno, es muy adecuado para la obtención de piezas de frutas y hortali­ zas (apios, patatas, zanahorias, cebollas, pi­ m ientos) con un bajo contenido en humedad (< 4% ).T am w én esta moicaao en ei fnocesaiio de piezas relativam ente grandes, que de ser tra tadas con aire necesitarían mucho tiem po para su deshidratación. Este sistema es de gran utilidad para reducir el tiem po total de tratamiento. Por otra pane, apenas modifica el valor nutritivo, color, sabor y arom a de los alimentos. Los productos ob te ­ nidos tienen características similares a los lio- filizados, pero el coste de procesado es inferior. 11.5.5. Liofililación La liofilización, también denominada crio- dtshidruación. es un tipo especial de deshidra­ tación por sublimación o transformación directa del hielo de un alimento en vapor de agua, sin pasar por el estado de agua líquida. Para que ocurra esto, la temperatura y la presión parcial de vapor de agua han de ser inferiores a las del punto .ripie, es decir, 0,0099 °C y 610,5 Pa (figu­ ra 11.20). Si en estas condiciones se aporta el calor latente de sublimación, unos 2,84 MJ kg~', el hielo se transforma directam ente en vapor, sin llegar a fundirse. A diferencia de los ante­ riores métodos de deshidratación, no existe un gran volumen de agua en estado líquido y las modificaciones de los alimentos son mínimas. Además, la liofilización requiere tan sólo un ca­ lentamiento suave, por lo que las características nutritivas y sensoriales del producto finaJ son muy similares a las del alimento fresco. Sin em ­ bargo. la velocidad de deshidratación es lenta y los costes del equipo y de la operación (bajas temperaturas y vacío) son elevados. El paso previo a la liofilización es la conge- lación de los productos. Tiene por objetivo transformar las soluciones acuosas de los ali­ mentos en una mezcla de dos fases: una consti­ tuida por cristales de hielo y o tra por la so­ lución concentrada de los solutos, La congela­ ción puede realizarse en un congelador aparte o en el mismo recinto del liofilizador. El tipo y velocidad de coogeiación tiene una gran reper­ cusión en la estructura final del producto por­ que >a distribución de los poros en él depende del tamaño y localización de los cristales de hielo formados. Las características particulares de cada alimento determ inarán qué condicio­ nes son las más adecuadas, (capítulo 10). Para la tiofilizacidn de líquidos, por ejemplo, se fa­ vorece la congelación lenta para que el tamaño de los cristales sea grande y se forme una red cristalina; de esta form a la estructura porosa facilitará tanto el escape del vapor de agua du­ rante la liofilización como su posterior rehidra- tación. En algunos líquidos el movimiento del vapor de agua es difícil porque al congelarse tienen una estructura vitrea, como los zumos de fruta con un elevado contenido de azúcares. E n este tipo de productos es necesario formar canales por donde pueda escapar el vapor de agua, bien congelándolos en forma de espuma, mezclándolos con sólidos (pulpa en el caso de los zumos) o triturándolos tras su congelación. Durante el secado por liofilización se distin­ guen dos etapas: a) Deshidratación primaria. Tras congelar el alimento, la presión se reduce por debajo de 600 Pa y se suministra el calor latente de sublima­ ción del hielo. Esta operación ha de regularse cuidadosamente, porque tiene que proporcionar la fuerza conductora para la sublimación pero la tem peratura ha de m antenerse por debajo del punto triple para evitar que el hielo se funda. En la figura 11.33 se muestra la curva típica de secado y la evolución de la tem peratura durante la liofilización de un alimento. El calentamiento se hace con placas calefactoras que tienen una tem peratura inicial elevada (en algunos casos superior a 100 *C). Para alimentos 'muy sensi­ bles al calor, las placas se mantienen a una tem ­ peratura más reducida (unos 20-30 *C), impli­ cando esto un tiempo de procesado más largo. A medida que el hielo sublima, la tem peratura de la superficie del alimento comienza a aumen­ tar, permaneciendo el interior congelado y frío. Es necesario disminuir progresivamente la tem ­ peratura de las placas, para evitar que la superfi­ cie seca del producto se queme. Las condiciones típicas que se emplean durante la liofilización son una temperatura superficial del producto de 35-80 aC como máximo y una presión en la cá­ mara de 13-270 Pa; para productos muy sensi­ bles al calor y cultivos microbianos, estas condi­ ciones son 20-30 ’C y menos de 13 Pa. La veloci­ dad de secado es lenta, aproximadamente 1,5 kg de agua m"2 I r 1, lo cual corresponde a un avance del frente de sublimación de 0,2-03 cm I r 1. En esta etapa, que puede durar de 6 a 10 horas, tie­ ne lugar la sublimación del hielo del alimento, es decir, hasta reducir aproximadamente su con­ tenido de agua a un 15% sobre el peso húmedo inicial. El vapor de agua ha de eliminarse a m e­ Temperatura Tiempo (h) Deshidratación Deshidratación primaria secundaria 11 a.2 • o c '0 • ¡ t(03OI dida que se genera para mantener la presión de vapor en el liofilizador por debajo de la presión de vapor en la superficie del hielo. La velocidad de la liofilización en esta etapa depende de la resistencia del alimento a la transferencia de ca­ lor hacia el frente de sublimación y de masa o vapor desde el mismo hacia la cámara. b) Deshidratación secundaria o desorción. Una vez eliminado todo el hielo del alimento, éste todavía retiene una cierta cantidad de agua líquida. Para obtener un producto esta­ ble, el contenido de humedad debe reducirse a un 2-8%, correspondiente al agua fuertemente ligada, por evaporación o desorción. Esto pue­ de conseguirse si el alimento parcialmente seco permanece en el liofilizador y se calienta hasta que su tem peratura iguale la de la placa (20-60 #C), m anteniendo el vacío. Así tiene tugar la evaporación de gran parte del agua residual en 2-6 horas. O tra posibilidad, dado el elevado coste de la liofilización, es finalizar el secado con otro m étodo. Al term inar el secado, y antes de sacar los productos de la cám ara, se introduce un gas inerte (nitrógeno) para romper el vacio, ya que si entrase aire en la cámara los productos ab­ sorberían humedad inmediatamente. A ) Transferencia de energía y de masa En la liofilización también hay una transfe­ rencia simultánea de calor y de masa. El calor latente de sublimación puede aportarse al fren­ te de sublimación por conducción o radiación, a través de la capa congelada o de la capa seca, o por generación interna si se emplean micro- ondas (figura 11.34). Cuando el calor se transfiere por conducción a través de la capa congelada del alimento (fi­ gura 11.34.b), la velocidad de su transferencia depende del espesor del alimento y de la con­ ductividad térmica de la capa de hielo. A pesar de que el hielo es un conductor de calor relati­ vamente bueno, el calor necesario para la subli- b) Atmósfera de cámara calíante Generación interna de calor Generación interna da calor Atmósfera de la cámara — 4 Transferencia de calor ggg Cape congelad* .— iffi Translaranda de meta 5 2 Capa seca FIGURA 11.34. Transmisión de calor en la liofiliza­ ción: a) a través de la capa seca; b) a través de la capa congelada; y c) generación interna del calor por microondas. mac¡ón es tan elevado y el gradiente de tem ­ peratura tan estrecho que, para que la veloci­ dad de deshidratación sea aceptable, es necesa­ rio que el producto tenga poco espesor. A me­ dida que progresa la liofilización se favorece la transferencia de calor, puesto que el espesor de la capa congelada se reduce progresivamente. En cambio, la transferencia de vapor de agua a través de la capa seca es cada vez más difícil ya que, ai avanzar el frente de sublimación, el es­ pesor de esta capa aumenta, siendo éste el fac­ tor limitante de la velocidad de secado. Si el calor se transfiere a través de la capa se­ ca del alimento (figura 11.34.a), esta transieren- cia depende del espesor y deí área superficial del alimento, así como de la conductividad tér­ mica de la capa seca que se forma al sublimarse el hielo. El factor limitante de la velocidad de secado es, entonces, la transferencia de calor. La conductividad térmica de la capa seca es tan ba­ ja que s bilidad de la capa seca, PA la presión de vapor del hielo en el frente de sublimación, Pw la pre­ sión parcial de vapor de agua en la superficie de la capa seca y x el espesor de la capa seca. En el supuesto de que el calor se transfiera al hielo sólo a través de la capa seca, la veloci­ dad de transferencia de calor al frente de subli­ mación viene dada por la siguiente ecuación: dQ/dt = kA A (6t - e.)lx (11.21) en la que dQ /dt es la velocidad de transferencia de calor, kd la conductividad térmica de la capa seca, flf la tem peratura de la capa seca del pro­ ducto y 8i la tem peratura del hielo en el frente de sublimación. En condiciones de estado estacionario exis­ te un equilibrio entre la velocidad de transfe­ rencia de calor y la velocidad de transferencia de masa: k i A { 9 t - 9 y x = ~ \ A b ^ - P J x (1122) donde Xt es el calor latente de sublimación a la tem peratura 9. La velocidad de sublimación en un sólido de forma plana, que se lioftliza a partir de una o ambas caras, y en el que el frente de sublima­ ción retrocede según un plano uniforme, tam­ bién puede expresarse en función de la canti­ dad de agua eliminada de la capa de producto: dw/dt = -A p m (Wt - W¡) dxldt (11.23) donde pm es la densidad del sólido desecado, Wo el contenido inicial de humedad del producto en base a su peso seco y W¡ el contenido en hume­ dad de la capa seca en base a su peso seco. Combinando las ecuaciones anteriores ob­ tenemos que: dw/dt = - A k d (8t - 9 t)IXt x = * H P « - P J f x = A p m (W0 - W) dxldt (11.24) El tiempo total de secado (rf) puede calcu­ larse integrando esta ecuación: Cuando It. sublimación se produce por am ­ bas caras, x es la mitad del espesor de la pieza. D e estas exf resiones se deduce que la dura­ ción de la sublimación es proporcional, entre otras variables, al cuadrado del espesor del producto. Es decir, interesa que las capas de producto s e a d e lg a d a s , ya que el tiempo total de secado se multiplicará por cuatro al dupli­ carse el espesor. La liofilización también se puede realizar a presión atmosférica, sin aplicar vacfo. En este caso, es similar a un proceso por arrastre por­ que hay que em plear una corriente de aire frío y seco o de nitrógeno o helio deshidratados con un desecante para que su presión parcial de agua sea inferior a la presión de vapor en el frente d% liofilización. B) Equipos y aplicaciones Los liofiiizadores constan de los siguientes elementos básicos: una cámara de vacío donde se introduce el alimento, una fuente de calor, un condensador y una bomba de vacío (figura 11.35). El modo de operación puede ser en lo­ tes o en continuo. Las cámaras de vacfo. robustas para sopor­ tar la diferencia de presiones, suelen tener ban­ dejas m en tira s donde se dispone el alimento que se va a tratar y pueden ser rectangulares o cilindricas; mientras que en las rectangulares el espacio interior se aprovecha mejor, las cilin­ dricas son más resistentes a la presión. fíay divemos tipos d e liofiiizadores según el modo en que se aporta el calor (figura 11.36). En los liofiiizadores de contacto, que aportan el calor por conducción, las bandejas están so­ bre placas huecas calentadas por (a circulación interna de agua caliente o por resistencias eléc­ tricas incorporadas. Si el producto se congela en la misma cám ara, se hace circular refrige­ Rudo refrigerante de vecío celen amiento Figura 11.35. Principales componentes de un lioFilizodor. rante por el interior de las placas. La velocidad de secado en estos equipos es lenta porque el calor se suministra sólo por una superficie del alimento, aunque tienen una gran capacidad de producción. En los liofilitadores acelerados el alimento se sitúa en tre dos placas metálicas a las que están adosadas otras placas de metal expandido, que ejercen una ligera presión. En comparación con otros equipos, la deshidrata­ ción es más rápida porque la transmisión de ca­ lor es más uniforme y la salida del vapor de agua no encuentra obstáculos. O tros liofilizadores calientan el producto por radiación m ediante elem entos dispuestos por encima y debajo de las bandejas. A dife­ rencia de los anteriores, no es tan crítico un buen contacto del alim ento con las bandejas. Es muy frecuente com binar el calentam iento por conducción por contacto directo (en la su­ perficie inferior del producto) y por radiación (por la parte superior). En otros liofilizadores se combina el calentam iento por contacto di­ recto y por microondas. La gran cantidad de vapor de agua producida durante la operación, que tiene a bajas presio­ nes un volumen específico muy elevado (1 g de hielo equivale a 2 m1 de vapor de agua a 67 Pa), se elimina mediante un condensador refrigera­ do y una bomba de vacío. Los condensadores son necesarios porque las bombas de vacío no tienen capacidad para evacuar grandes volú­ menes de gases. En los condensadores refrige­ rados tiene lugar la transformación inversa a la sublimación: el vapor de agua se condensa so­ bre la superficie fría del condensador (serpen­ tín o placas), por cuyo interior circula un refri­ gerante. La bomba de vacío elimina los gases no condensables y el vapor de agua residual. Es muy im portante que la bomba de vacío ten­ ga capacidad suficiente para evacuar ráp ida­ mente la cámara al principio de la operación, para evitar la fusión del hielo. El gasto energético de la refrigeración del condensador supone alrededor de un tercio del total. La eficiencia energética mejora si se aco­ plan sistemas de desescarchado al condensa­ dor, para que la acumulación de hielo en él sea mínima. Los condensadores pueden ser in ter­ nos o externos. Los internos se sitúan den tro de la cám ara del llofilizador; en este caso, el vapor de agua recorre un espacio muy corto. Los externos se disponen en un recinto separa­ do de la cámara por una válvula o compuerta. Aunque el recorrido del vapor de agua es m a­ yor, suponen una ventaja porque perm iten el funcionamiento en contiauo del equipo: al acó- •) Almanta b) Placa estafadora . . . . Placa caMactora Placa calefactora I 1 I r í n s g t t f Placa calefadora FtGUíA 11.36. Tipos de liofilizadores según el opor- le de calor: a) por conducción a través de una ban­ deja comoortimentada; b) a través de una malla metálica expandido (liofilizadores acelerados); y c) por radiación. Fuente: FelloWs (1995). piar dos condensadores a la cám ara, uno de ellos funciona mientras el otro se desescarcha. En el líófiiizador continuo que se muestra en la figura 11.37, las bandejas con producto se colocan en carros que entran y salen de la cá­ mara de vacío mediante compuertas de seguri­ dad. Las bandejas circulan entre placas calefac- toras, ajustándose la tem peratura de dichas placas y el tiempo de permanencia del produc­ to en la cámara de acuerdo con el tipo y volu­ men de alimento que se va a tratar. Hay otros diseños en los que los productos particulados no se colocan en bandejas, sino que se mueven en el liofilizador mediante cintas sinfín, lechos fluidizados. por atomización, etc. La calidad y vida útil de le» productos lio- ñlizados es excelente po r múltiples razones. La temperatura máxima que alcanza ■;! producto es moderada, por lo que las reacciones quími­ cas y enzimátícas son limitadas y las caracterís­ ticas nutritivas y sensoriales apenas son modifi­ cadas. La eliminación dei vapor de agua es muy selectiva y los componentes sápidos y aro­ máticos no son arrastrados por él; en el p ro­ ducto seco permanece hasta el 80-100% de es­ tos componentes. Como ia deshidratación se hace en estado sólido, no hay movimiento de líquidos y/o solutos, contracción dei sólido o endurecim iento superficial; el producto final conserva el tamaño y forma del alimento origi­ nal y su estructura porosa facilita notablemente su rehidratación. Al tratarse de productos muy higroscópicos, frágiles y sensibles a la oxida­ ción, es fundam ental un envasado adecuado. La vida útil de los productos iiofilizados puede llegar a ser de un año a tem peratura ambiente. A pesar de ello, la liofilización tan sólo tie­ ne una aplicación limitada en la industria agro- alimentaría. Esto se debe a que el coste del equipo y de operación es muy elevado. El frío para la congelación del producto y la conden­ sación del vapor de agua, junto con el manteni­ miento del vacío, suponen un gasto considera­ ble. Además, la operación es bastante lenta: un liofilizador de 15 m3 sólo sublima de 50 a 60 kg de agua por hora. Este elevado coste sólo se puede aceptar en materias primas de gran va­ lor comercial o muy sensibles al calor, siendo especialmente adecuado para algunos alimen­ tos particulados. Entre los productos que se conservan por liofilización destacan: café en polvo, mariscos, carne, pescado, hierbas aromá­ ticas, algunas fu ta s y hortalizas (fresas, fram­ buesas, etc.) y ciertas setas. También se proce­ san de esta forma dietas o raciones completas, en las que se pueden incluir platos precocina- dos, para uso militar, expediciones o viajes es­ paciales. Asimismo, la liofilización es uno de los FlGUItA 1 1.37. O iagram a esquemático de un liofilizador de bandejas de funcionamiento continuo. m étodos preferidos para la conservación de los cultivos iniciadores. Para reducir el coste de la liofilización en ocasiones se recurre a la preconcenfración de los productos. E s fundamental en ese caso que el tra tam ien to de preconcentración aplicado sea suave y no altere las características origina­ les del alim ento. D e no ser así, la calidad del producto final no compensaría el elevado gasto de la liofilización. El café o los zumos de frutas, por ejem plo, se crioconcentran hasta un 38% (p/p) de sólidos antes de ser liofilizados. ¡1.5.6. Dashidrotación osmótica Este tipo de deshidratación implica la in­ mersión de productos con un alto contenido de agua en soluciones azucaradas o salinas concen­ tradas, existiendo una transferencia simultánea de masa en contracorriente entre el producto y la solución: una gran proporción de agua del p roducto pasa a la solución, pero al mismo tiem po hay una transferencia de solutos de la solución al producto. El requerimiento energé­ tico es mucho menor que en todos los métodos anteriores, puesto que no requiere un cambio de estado del agua. Además, al mismo tiempo que se deshidrata el producto, éste se puede im­ pregnar con sustancias de interés (conservantes, suplementos nutritivos, mejoradores de propie­ dades sensoriales, etc.). El empleo de solucio­ nes muy concentradas (50-75 g de soluto por 100 g de solución) permite eliminar hasta 40-70 g de agua por 100 g de producto inicial, con una mínima incorporación de solutos (5-25 g de so­ luto por 100 g de producto inicial), en un tiem­ po relativamente corto; en porciones de frutas de 1-2 cmJ, a 30-50 °C y presión atmosférica, la mayor parte de la transferencia de agua se pro­ duce en las primeras 2 horas. Las pérdidas de solutos propios del alimento (azúcares, ácidos orgánicos, minerales, vitaminas, etc.) son cuan­ titativamente menos importantes que las trans­ ferencias anteriormente indicadas, aunque mo­ difican la composición final del producto. Uno de los problemas potenciales que plantea este tipo de deshidratación es la gran cantidad de fluido residual que debe eliminarse al término de la operación. Entre las posibles soluciones se ha sugeriddsu reciclado o bien su posterior uti­ lización en la elaboración de otros productos, como zumos, o como agentes saborizantes y aromatizantes. La deshidratación osm ótica se ha aplicado a frutas y hortalizas y, más reciente­ mente, a carne, pescado y geles. i i.5 .7 . Conseyación de ¡os alimentos deshioratados Los productos deshidratados no son estéri­ les. La reducción del número de microorganis­ mos com o resaltado de las operaciones de des­ hidratación es baja. La inactivación de enzimas sólo es parcial. El efecto de la desorción del agua en la supervivencia de los microorganis­ mos y en la ac:ividad enzimática es variable. Se ha podido com probar que algunos microorga­ nismos y c iertis enzimas son más termorresis- tentes en el medio deshidratado que en el hú­ medo. P or estas razones, normalmente se efec­ túa con anterioridad un tratam iento térmico (escaldado, pasterización o esterilización). La humedad final de un producto deshidra­ tado suele encontrarse entre un 1 y 5%. lo que perm ite su cooservación durante períodos de tiempo relativamente largos (hasta un año). Sin em bargo, durante su almacenamiento pueden surgir distinta; causas de alteración que gene­ ralm ente puecen evitarse con un envase ade­ cuado y una correcta manipulación. El creci­ miento de algunos microorganismos sólo es po­ sible después de una rehidratación parcial. Para impedirlo, y dada la higroscopicidad de los ali­ mentos deshidratados, es necesario utilizar ma­ teriales de envase im perm eables al vapor de agua o realizar el almacenamiento en condicio­ nes higrométrícas apropiadas. En granos de ce­ reales y harinas conservados en silos, un traspa­ so de num tdad puede favorecer la proliferación de mohos. Estos accidentes se evitan emplean­ do locales térmicamente aislados. L as reacciones enzim áticas, el pardea- m iento no enzim áticc, diversos procesos de h idrólisis y otras reacciones de deterioro se p roducen t reJo d dedes insignificantes sie/r pre que el envase y las condiciones de alm a­ cenam ien to perm itan m an tener la awen los valores conseguidos al ñnal de la deshidrata­ ción y que la tem pera tu ra de conservación sea in ferior a 12 ®C. Los alim entos deshidratados porosos son muy sensibles a las reacciones de oxidación (de lípidos, pigmentos, vitaminas y sustancias aro­ máticas), lo que limita su conservación. Por ello, se aconseja el envasado a vacío o en a t­ mósferas inertes (N 2), así como utilizar m ate­ riales impermeables ai oxígeno y opacos. Por otra parte, los alimentos deshidratados son frá­ giles y quebradizos (especialmente los obteni­ dos por liofilización) por lo que deben p ro te­ gerse de los daños mecánicos. 11.5.8. Reconstitución de los alimentos deshidratados La aptitud de los alimentos deshidratados para la rehidratación o reconstitución es un in­ dicativo de su capacidad para captar y absorber el agua y adquirir un estado próximo al del producto original. La rehidratación es, a veces, difícil y puede facilitarse con el empleo de agua caliente o ligeram ente salada o adicionando agentes humectantes que rebajen la tensión su­ perficial. Esta operación está condicionada por múltiples factores. En los productos deshidratados íntegros o fragmentados en porciones, la rehidratación depende principalmente de: a) La estructura de los fragmentos deshi­ dratados. Así, los alimentos liofilizados suelen rehidratarse con facilidad debido a su estructura porosa. b) El grado de alteración experim entado durante el secado por los com ponentes del alimento que retienen agua (pro teí­ nas y almidones sobre todo). Esto hace que la reconstitución de muchos produc­ tos dependa de la velocidad inicial de d esh id rau d ó c £1 posible daño térmico durante la desecación, o el causado por una inadecuada congelación en el caso de la liofilización, puede ocasionar una reducción de la capacidad de retención de agua; tras su reconstitución el produc­ to presentará un aspecto y textura defi­ cientes. E n ios productos desecados en polvo la re­ constitución depende de distintas propiedades, entre las que se encuentran: a) Humectabilidad o capacidad de las par­ tículas de polvo para adsorber agua en su superficie, iniciándose así su rehidra- tación. Esta propiedad depende en gran parte del tam año de las partículas (capí­ tulo 12). Cuando ¿ su s son pequeñas y ofrecen una gran relación área/masa, no se humedecen individualmente sino que forman aglom erados con una capa hu­ medecida superficial común que se opo­ ne a la difusión del agua hacia el inte­ rior. La composición de las partículas, y sobre todo la naturaleza de su superfi­ cie, tam bién condiciona la humectabili­ dad. D e esta forma, la presencia de gra­ sa libre en la superficie reduce conside­ rablem ente esta propiedad y, a veces, es necesario adicionar agentes con activi­ dad de superficie como, por ejemplo, le- citinas. b) Sumergibilidad o capacidad de las partí­ culas para hundirse rápidam ente en el agua. D epende principalmente del tam a­ ño y de la densidad de las partículas. Cuando son grandes y densas se sum er­ gen con mayor rapidez. Las partículas que contienen mucho aire atrapado pue­ den ser relativamente grandes y sin em ­ bargo pueden presentar escasa sumergi­ bilidad debido a su baja densidad. c) Dispersabilidad o facilidad con la que las partículas de polvo se distribuyen como entidades individuales en la superficie y en el seno del agua de reconstitución. E sta propiedad aum enta cuando la su­ mergibilidad es elevada y se opone a la formación de grumos. d) Solubilidad, se refiere a la velocidad y al grado con el que los componentes de las partículas de polvo se disuelven en el agua. D epende principalm ente de la composición química del producto y de sus características físicas (cristalización, sobre todo). Para que un producto deshidratado en pol­ vo pueda calificarse como instantáneo se re ­ quiere un correcto equilibrio entre las caracte­ rísticas mencionadas. Para m ejorar la rehidratación de los p ro ­ ductos puede recurrirse a distintos p rocedi­ mientos: a) Ajuste de las condiciones de desecación para conseguir partículas con un tamaño y una densidad másica más adecuados para la rehidratación. En algunas ocasio­ nes se recurre a la introducción de e ta­ pas adicionales en el proceso, como por ejemplo la recristalización en la deshi- dratacwn del suero por atomización. b) Reciclado de partículas finas que n o r­ malmente se producen en los secaderos atomizadores. En estos casos, las partí­ culas desecadas que salen de la cám ara son enfriadas sobre un enfriador vibrato­ rio de lecho fluidizado. Aquéllas de m e­ nor tamaño son recicladas, junto con las arrastradas por el aire de salida de la cá­ mara de desecación. c) Instantaneización. En este caso, el p ro ­ ducto sale de la cám ara de desecación con un contenido de humedad relativa­ mente alto (del orden del 6 al 8% sobre la base del peso húmedo). En este esta­ do, las partículas son term oplásticas y presentan superficies adherentes y al contactar forman aglom erados (con un diámetro de 300 a 400 pm). Estos aglo­ merados finalmente son desecados y en ­ friados en una unidad de lecho fluidiza­ do (capítulo 12). d) Rehumidificación. Es el método más efi­ caz y más utilizado para facilitar la re ­ constitución de los alimentos deshidrata­ dos en polvo. El producto de esta na tu ­ raleza obtenido por atomización en una planta convencional se pone en contacto con vapor o con aire húmedo caliente. A continuación se favorece el contacto en­ tre las partículas humedecidas para que se formen aglomerados, tratando el pro­ ducto en una cámara cónica. Los aglo­ merados formados se desecan en una cá­ mara y se enfrían a continuación en un lecho fluidizado vibratorio. O tros proce­ dimientos de aglomeración (capítulo 12) se basan en poner en contacto el alimen­ to deshidratado en polvo con una fina lluvia (producida por una boquilla nebu- lizadora de chorro o con una rueda ato- mizadora) de agua o de una solución de uno o de todos los componentes del pro­ ducto deshidratado. La aglomeración incrementa la cantidad de aire retenido en tre las partículas. D urante la reconstitución este aire es rápidamente reem ­ plazado por agua produciéndose una rápida humidificación y dispersión de las partículas. Por otra parte, la rehumidiftcación parcial se­ guida de secado provoca la formación de cris- 1. lo acidificación es un método que se ha utiliza­ do desde tiempos remotos paro ampliar la vida útil de muchos alimentos y se lleva a cabo de forma biológica, al fermentar los azúcares de la materia prima (por ejemplo, leches fermentadas) o mediante la adición de ácidos débiles (por ejemplo, escabeches). El bojo pH es, a veces, el factor fundamental (yogur) o único (vinagre) de la estabilidad del alimenta acidificado, pero otras veces su efecto se combina con otros agen­ tes, como refrigeración (yogur), tratamiento tér­ mico (algunos escabeches enlatados) o baja (embutidos y quesos). 2. las preferencias de los consumidores hacia ali­ mentos con una apariencia natural, frescos o mínimamente procesodos han impulsado el de­ sarrollo de las atmósferas controladas (el ali­ rales solubles de lactosa y de o tros azúcares, evitando las formas amorfas vitreas. Bibliografía ALFA-LAVAL. EQUIPO TÉCNICO (1990): Ma­ nual de industrias lácteas. 2.' ed. AMV. Mundi- prensi. Madrid. BRENNAN. J. G.¡ BUTTERS. J. R.. COWELL N. D. y LILLY, A. E. V. (1980): Las operaciones de la in­ geniería de los alimentos. 2.* ed. Acribia. Zaragoza. CHEFTEL. J. C.; CHEFTEL. H. y BESANQON, P. (1989): Introducción a la bioquímica y Tecnolo­ gía de los Alimentos, voL II. Acribia. Zaragoza. EARLE. R. L (1987): Ingeniería de los alimentos. Acribia. Zaragoza. FELLOWS. P. (1994): Tecnología del procesado de los alimentos. Principios y prácticas. Acribia. Za­ ragoza. 'KAREL, M-; FENNEMA, O. R. y LUND. D. B. (1975): Principies o f food Science. Part II: Physi- cal principies o f food preservation. Marcel Dele- ker, Inc. Nueva York. mentó se mantiene en una mezcla de gases determinada que permanece constante durante el almacenamiento) y m odificadas (el alimento se envasa en una determinada mezcla de gases que puede sufrir modificaciones durante el almacenamiento). El envasad o a vacío (eva­ cuación del aire del envase sin sustitución por otro gas) se considera como un tipo de atmós­ fera modificada, la modificación de la atmósfe­ ra se utiliza tanto pora ampliar la vida útil de alimentos de origen vegetal (destinada, sobre lodo, a inhibir los fenómenos de envejecimien­ to postrecolección) como animal (en combina­ ción can la refrigeración para inhibir lo'micro- bioto alterante). 3. la aw de los alimentos frescos y procesados es uno de los parámetros que determina su corácter RESUMEN perecedero o estable. Con crreglo o est* fccror. [os alimentos se han clasificada en productos con una: a) ow > 0.98 (la mayor parte de los ali­ mentos frescos) en los que lo mayoría de los microorganismos pueden crecer rápidamente a temperatura ambiente, b/ aw 0,98-0,93 (leche concentrada, carnes curadas, quesos frescos, pan, etc.) que inhibe el crecimiento de las bacte­ rias Gram negativas dejando paso a las Gram positivas, c¡ aw 0,93-0,85 (quesos madurados, leche condensada, etc.) que permite el creci­ miento de cocos Gram positivos, mohos y leva­ duras, d} a„ 0.85-0,60 (alimentos de humedad intermedia), seguros desde el punto de vista sani­ tario aunque puedan crecer algunos mohos, y ej o„ < 0,60 (dulces diversos, leche en polvo, palo­ tes fritos, etc.) en los que no crece ningún micro­ organismo. 4. la evaporación consiste en la eliminación de agua de los alimentos líquidos por ebullición para concentrar los sólidos totales y reducir asi la a„ No obstante, puede también realizarse con otros fines, como la concentración de líquidos previa a la aplicación de otras operaciones (des­ hidratación, congelación, esterilización) y reduc­ ción del peso y volumen. En la evaporación se utiliza, como Ruido cale­ factor, vapor de agua saturado (vapor primario! que se condensa cediendo su calor latente al pro­ ducto que se evapora, la operación tiene lugar en evaporadores dotados de cambiadores de calor, la velocidad de evcporación depende de la trans­ ferencia de calor y de la transferencia de masa relacionado can la liberación de vapor de agua del alimento (vapor secundario). 5. La deshidratación o secado o desecación se defi­ ne como la extracción deliberada y en condicio­ nes controlados del agua que contienen los ali­ mentos. Esta operación se lleva a cabo por eva­ poración o. en el caso de la liofilización, por sublimación del agua. El producto resultante pre­ senta uno humedad, en la mayoria de los casos, inferior si 3%. Las objetivos de este operación son aumentar la vida útil de los alimentos, redu­ cir el peso y el volumen, facilitar el empleo y diversificar la oferta de productos. 6. La liofilización, también denominade criodeshi- dratación, es un tipo especial de deshidratación por sublimación. Poro lograrlo, se :ongela el producto, se coloca a una temperatura y presión parcial de vapor de agua inferiores a las del punto triple (0,0099 *C y 610,5 Po) y se aporta el calor latente de Sublimación (2,84 MJ kg~'|. 7. En la deshidratación tienen lugar simultáneamen­ te transferencia de masa [movimiento 12 OPERACIONES DE TRANSFORMACIÓN En este capítulo se desarrollan las principales operaciones de trans­ form ación que se aplican en la industria alimentaria. Este grupo incluye una gran cantidad de operaciones de naturaleza m uy diversa: reducción y aumento de tam año, m ezcla, m oldeado, m odificación de la textura, extru­ sión, operaciones de separación y transformaciones químicas. Para cada una de ellas se describen sus fundam entos, el equipo em pleado y las apli­ caciones m is habituales en la industria alim entaria, así com o las m odifica­ ciones que experim entan las materias prim as alimentarias a ellas some­ tidas. 12.1. Introducción Las operaciones de conservación, tratadas en los anteriores capítulos, tienen como princi­ pal objetivo reducir o evitar la alteración de los alimentos, aunque ello suponga casi siempre una cierta modificación de la m ateria prima. Las operaciones de transformación que se tra­ tarán en este capítulo persiguen, a diferencia de las anteriores, modificar ia m ateria prima alimentaria para obtener ingredientes o ali­ mentos con nuevas y/o mejores características funcionales, sensoriales o nutritivas. Si bien es cierto que esta división no es estricta, ya que existen algunas operaciones que cumplen am­ bos objetivos al mismo tiempo, como por ejem­ plo la extrusión en caliente. En la actualidad, las operaciones de transfor­ mación tienen una gran importancia, sobre todo en las sociedades desarrolladas porque permiten aumentar la variedad y la calidad de los alimen­ tos disponibles, contribuyendo a la diversifica­ ción de la dieta. Algunas de estas operaciones pueden contribuir, además, ai aprovechamiento de materias primas alimentarias, hasta ahora in- frautilizadas, para ayudar a paliar el problema de la escasez de alimentos en los países en vías de desarrollo. En esta categoría de operaciones se incluye una gran variedad de transformaciones. Algu­ nas son relativamente simples y, en ocasiones, se trata de operaciones preliminares a otras de conservación o transformación, como por ejem­ plo la reducción de tamaño previa a un tra ta­ miento térmico o a una extracción. Otras, como la extrusión, son tan complejas que constituyen un proceso en sí mismas. Es difícil hacer generalizaciones que sean válidas para este vasto conjunto de operacio­ nes, porque cada una tiene sus peculiaridades. Sin embargo, la mayoría no modifican e l valor nutritivo de la materia prima alimentaria, pues­ to que se trata de operaciones que se realizan a tem peratura ambiente. Tampoco cambian no­ tablemente la vida útil de los alimentos, aun­ que en algunos casos pueden favorecer su alte­ ración (éste sería el caso de las operaciones de reducción de tamaño) y en otros, al contrario, pueden favorecer su conservación'(com o los productos obtenidos por extrusión, que tienen una baja a j . No existe acuerdo entre los distintos autores para establecer una clasificación de las operacio­ nes de transformación. Algunos lo hacen en fun­ ción de la naturaleza de la transformación (físi­ ca. química o fisicoquímica), mientras que otros se basan en el impacto que tiene la transforma­ ción en la composición del producto (cuadro 12.1). En cualquier caso, no se deben considerar como clasificaciones estrictas, pudiendo una operación incluirse en más de una categoría. 12.2. Reducción de tamaño La reducción de tam año es la operación unitaria por la que se disminuye el tam año m e­ dio de las partículas de un producto m ediante fuerzas mecánicas. Aplicada a productos só li­ dos, la reducción de tam año se denomina tritu­ ración, molienda o corle; en la de productos lí­ quidos se incluyen la atomización, la homoge- neización y la emulsificación. Entre los diversos objetivos de la reducción de tamaño de las materias primas alimentarias se pueden citar: a) La adecuación a un posterior procesado, puesto que la reducción de tam año aumenta la relación superficie/volumen, lo que facilita las operaciones basadas en la transferencia de energía o de masa, como por ejemplo los tratam ientos té r ­ micos, la deshidratación o la extracción. La obtención de partículas con un tam a­ ño homogéneo contribuye, adem ás, a una mezcla uniforme en la preparación de alimentos formulados con varios in­ gredientes (por ejemplo, las sopas secas). b) La obtención de productos específicos que tengan unas propiedades funcionales ade­ cuadas (especias, azúcar glaseado, etc.). CuADtO 12.1. Oosífrcoción de las operodones de tronsformocióa según «i impacto que tienen en la composición del producto. Nivel 1 (¡mpodo| Nivel 2 Nival 3 Combio de ta moño/forma 1*1 Reducción da romane. Aumanlo da tamaño Cambio da formo Molinada, iriluroeión, corta, rebocado, homogenatzoción, emulwficoción, ata. Agiomaroción, flocutocíón, ata. Moldeada, ata. Supo roción {*♦1 Física o mecánica Fisico-quimica Sadimanloción, centrifugoción, Filtración, ulrrariltradón, precsodo, tamizado, are. Extrocción liquidoTíquido y líquido-sólido, extracción con Ruidos ■uparcriticos, cristaKzoción, destilación... Combinación [♦♦♦| Mazda limpia Mazda con texlurizoción Mazda, amasado, homogeneizocíón, ata. Formoeión da amulsionas y aspumas, Homoganeizocióc, ata. Transformación química !**♦+) Por calor Por raoccionai químicos y •niimáticai Por microorganismos Asado, tutsla, cocinado, fritura, hornaada, ata. Hidroganocióc y esterificadón de grasas, hidrólisis, ata. Farmantocionas {alcohólica, láctica, ata.) c) El aum ento de la gama de fabricación (por ejemplo, los embutidos loncheados). d) Facilitar, en general, su manejo y trans­ porte. 12.2.1. Reducción de tamaño de alimentos sólidos Las fuerzas mecánicas que intervienen en la reducción de tamaño de alimentos sólidos son la compresión, el impacto y la cizalla, aunque en cada equipo suele predominar una de ellas. Las fuerzas de compresión son las más impor­ tantes en la trituración de materiales groseros hasta obtener partículas de unos 3 mm, mien­ tras que las de cizalla suelen estar asociadas a la molienda o reducción de tamaño para obtener productos de tamaño mucho menor, en polvo. La trituración y la molienda se suelen consi­ derar operaciones muy ineficaces desde el pun­ to de vista energético. Tan sólo una pequeña parte de la energía aplicada se em plea rea l­ mente en la ruptura o fragmentación del sóli­ do. La mayor parte se dirige a la deformación de ese sólido y a la creación de nuevas líneas de debilidad por las que se pueda producir la rup­ tura sucesiva de los fragmentos. El resto de la energía se disipa en forma de calor. Entre las propiedades de los alimentos que determinan la cantidad de energía necesaria para su frag­ mentación se encuentran la dureza y la friabili­ dad (o tendencia al desmenuzamiento), así co­ mo el contenido en agua. La fricción entre las partículas de producto y entre las partículas y la m aquinaria, junto con la disipación de! exceso de energía aplicada, puede hacer que la tem peratura de los produc­ tos aumente notablemente, favoreciendo su al­ teración. D urante el procesado de alimentos sensibles al calor, la tem peratura se puede con­ trolar m ediante dispositivos de refrigeración (como camisas o serpentines) o mezclando di­ rectamente Nj líquido o C 0 2 sólido con el ali­ mento antes de su tratamiento. A) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Los aparatos para la reducción de tamaño tienen diferentes diseños y dimensiones. La se­ lección del equipo adecuado dependerá de las características que tenga el producto de partida y de las que se deseen en el producto final. A tendiendo a las característcas del produc­ to de partida se distingue entre aparatos para la desintegración de: 1. Alim entos duros y secos, con los que se persigue la obtención do fragmentos o polvos más o menos secos. Se incluyen aquf una gran variedad de molinos que, en general, tienen una construcción ro­ busta, son de acero y operan a velocida­ des lentas. Entre las principales aplica­ ciones se pueden mencionar la molienda de cereales, azúcar, leche deshidratada, especias, colorantes, etc. 2. Alim entos frescos, como la carne, las fru­ tas y las hortalizas, en general más blan­ dos, fibrosos y húmedos. Las fuerzas de in terés son las de impacto y cizalla. En muchos casos el equipo es parecido ai de los alimentos duros y secos, sustituyendo las superficies planas por superficies cor­ tantes. Ejemplos de este upo de opera­ ción son el rebanado o fileteado, el trocea­ do en escamas y en cubos, el picado y el desmenuzamiento. La reducción de tamaño tiene una gran im­ portancia en la industria cárnica, siendo funda­ mental en la elaboración de una gran variedad de productos cárnicos. Contribuye a disminuir la dureza de la materia prima e incrementar el área superficial y su capacidad de ligazón. Las picadoras permiten obtener un tamaño de grano regular, pero provocan un cierto aplastamiento de la carne. U no de los compo­ nentes básicos de una picadora estándar senci­ lla (figura 12.1) es el tom illo sinfín que dirige la carne hacia el dispositivo cortador. Este dis­ positivo consta, a su vez, de una placa precorta- dora, una cuchilla y una placa perforada cuyos orificios presentan superficies de corte en am­ bas caras. La materia prima se somete durante la operación a fuerzas de cizalla y presión (en­ tre el tornillo sinfín y la carcasa estacionaría), de impacto (cuchillas) y de compresión (placa perforada). Tolva da attmenBáón TomWo sinfin Salida _ » .d e l producto cortado 1234 Placa procortadora Cuchitas de «-es vías Placa con oriid o s Esraüa pro «c lo ra FiCURA 12.1. Esquema d e una picadora da c om a. El troceado o corte en copos u hojuelas se realiza habitualmente con aparatos de funcio­ namiento en continuo del tipo Urschel Comi- trol (figura 12.2), que proporcionan un corte limpio y una granulometrfa regular. El impul­ sor gira a una velocidad superior a 400 rpm y se mueve en el interior de la cabeza estática dotada de superficies cortantes o cuchillas. Es­ tas cuchillas inciden en sentido inverso al del movimiento del impulsor y están dispuestas en columnas, entre las cuales se abren espacios de salida. La carne es impulsada por la fuerza cen­ trifuga y arrastrada hacia los bordes de las cu­ chillas. El grado de reducción se regula con la velocidad del impulsor, el número y tipo de cu­ chillas, asi como con el tamaño y la disposición de los orificios de salida. El grosor de los copos suele estar comprendido entre 0,76 y 42 mra. Para el troceado en cubos se em plea un equipo similar (figura 12.3), combinado :on un Producto Impulsor Producto cortado horizontales FtGURA 12.2. Esquema de un sistema Urschel Comitrai9: a) cabeza cortante; b) formación de copos. Arrastrador Guia pera gradué Hoj, elcoda arrastradora v _ T o m fe para dalas lonchas Cuchite corta lonchas Eje da aBmentadón Cuchite redondo Cuchite rascador Cuchite de corte transversal Fig ura 12.3. Representación esquemática de una máquina Iroceodoro en cubos. Fig u r a 12.4. Esquema de una cúter. cuchillo redondo hc-rizontal que subdivide las lonchas en tiras. Estas tiras son dirigidas, a con­ tinuación. hacia un juego de cuchillas perpen­ diculares. donde se cortan para dar'la forma de cubos. La cúter (figura 12.4) probablem ente sea uno de tos equipos más importantes y versáti­ les de la industria cárnica, aunque también se utiliza para el corte de diversos tipos de frutas y hortalizas duras. Lo más destacable de este equipo es que, junto con la operación de reduc­ ción de tamaño, también mezcla y amasa inten­ samente los ingredientes necesarios para la ela­ boración de una gran cantidad de embutidos. Consta de una cuba redonda horizontal (entre 10 y 1.000 litros de capacidad), que gira lenta­ m ente moviendo el producto hacia un árbol que también gira a gran velocidad (hasta 6.000 rpm) y en cuy» extremo se disponen una serie de cuchillas (de 3 a 12). La reducción de tam a­ ño lograda depende de la form a, cantidad y disposición de las cuchillas, así como del tiem­ po de permanencia del producto en la cuba. La cuba puede estar tapada parcial o totalm ente, siendo posible en el último caso em plear vacío para evitar la oxidación de los ingredientes que se están procesando. B) Efecto en los alimentos Esta operación cam bia drásticam ente la textura de los alimentos, sobre todo si se logra una fuerte disgregación y reducción de la es­ tructura original. El arom a tam bién puede modificarse por la pérdida de sustancias volá­ tiles, especialmente si aum enta la tem peratura durante la operación. La reducción de tam año, en general, no alarga la vida útil de los alimentos. De hecho, puede influir negativam ente si tenem os en cuenta que, com o consecuencia de la ruptura de tejidos, se van a liberar enzimas que en los tejidos intactos estaban com partim entadas y posibles sustratos para el crecimiento de micro­ organismos. La exposición al aire de una m a­ yor superficie del producto puede favorecer re­ acciones de oxidación, así como otras reaccio­ nes químicas y enzimáticas y el crecimiento de microorganismos. Como consecuencia de todo ello, se producen pequeñas pérdidas nutritivas (oxidación de vitaminas y ácidos grasos) y sen­ soriales (color) y una reducción de la vida útil del producto, sobre todo si no se controla la temperatura. 12.2.2. Reducción de tamaño de alimentos líquidos La atomización consiste en la subdivisión de un líquido en pequeñas gotas de tam año uni­ forme con el fin de obtener una aspersión. Es una operación previa y fundam ental para facili­ tar y acelerar la transmisión de calor y de masa en algunos tratamientos térmicos, deshidrata­ ción, etc. Uno de ios atomizadores más comu­ nes en la Industria Alimentaria es el atomiza­ dor centrifugo (figura 125 ) , que perm ite mane­ jar fluidos bastante viscosos y, a diferencia de otros, no se obtura fácilmente si existen partí­ culas en el líquido de alimentación. Además, es muy resistente a la abrasión y con el tiempo no se observan grandes variaciones en el tamaño de las gotas. El líquido se introduce en un disco que gira a gran velocidad y que tiene ranuras o canales por los que emergen gotas de tamaño bastante uniforme (50-60 pm). La emulsificación es ta operación por la cual se obtiene una dispersión de un líquido (fase discontinua, dispersa o in terna) en form a de muy pequeñas gotas (0,1-50 pm de diám etro) en otro (fase continua, dispersante o externa), siendo ambos líquidos inmiscibles. A esta dis­ persión se le denomina emulsión. La emulsifi- cación se considera en algunas ocasiones como una operación de mezcla, ya que se consigue una distribución más uniforme de dos compo­ nentes inmiscibles. Una operación muy relacionada con ésta es la homogeneización, que consiste en la reduc­ ción de tamaño (0,5-3 pm ) y el aumento de nú­ Fig u r a 12 . 5. Esquema de un atom izador centrífugo. mero de las partículas de la fase dispersa de una emulsión ya formada. Los dos tipos básicos de emulsiones deriva­ dos de la mezcla de una fase acuosa y una fase lipídica son las de aceite en agua, cuando el aceite es la fase dispersa (por ejem plo, la le­ che), y las de agua en aceite, cuando la fase dis­ persa es la acuosa (por ejemplo, la mantequi­ lla). Sin em bargo, es necesario señalar que la m ayoría de las em ulsiones alim entarias son mucho más complejas, ya que además de estas dos fases líquidas inmiscibles suelen existir par­ tículas sólidas y burbujas de gas (por ejemplo, los helados). E n ocasiones no hay ni siquiera una solubilización perfecta de las fases, como en los embutidos, en los que incluso se encuen­ tran estructuras fibrilares. Las distintas fuerzas de cohesión entre las moléculas de las dos fases determinan que exis­ ta una tensión interfacial. Para superarla y m antener las dos fases en movimiento y sepa­ radas es necesario sum inistrar energía. H abi­ tualmente esto se logra mediante una agitación violenta o una presión elevada, que cizalla o di­ vide las gotas grandes de la fase dispersa en otras más pequeñas. Como consecuencia de es­ ta división hay un gran aum ento del área su­ perficial de la fase dispersa. Por ello, a menudo se requiere la utilización de compuestos tenso- activos o surfactantes que disminuyen el reque­ rim iento energético necesario para crear esa nueva superficie. E n términos moleculares, los tensoactivos son moléculas anfifílicas que con­ tienen una porción hidroiílica y o tra hidrofóbi- ca, por lo que tienen una fuerte tendencia a disponerse en la interfase agua-aceite. E ntre los más frecuentes en la Industria A lim entaria pueden citarse los mono- y digücéridos, los fos- folípidos (lecitina) y las proteínas. Las emulsiones, una vez formadas, son ines­ tables y sus fases se pueden separar de nuevo por sedimentación o flotación, agregación y/o coalesccncia de las gotas de la fase dispersa. La estabilidad de una emulsión depende, por lo tanto, de la intensidad de las fuerzas interíacia- les, el tam año de las gotas de la fase dispersa, la diferencia de densidades entre las dos fases y la viscosidad de la fase continua. La esubili- dad de una emulsión se puede aum entar nota­ blem ente por el empleo de emulsificadores o emulgentes, que tienen actividad de superficie y forman una película alrededor de las gotas de la fase dispersa, evitando su coalescenci;. En algunos casos, los emulgentes suponen un im­ pedim ento estórico o eléctrico a la unión ce las partículas de la fase dispersa. O tros emulgentes aum entan la viscosidad de la fase conticua y restringen, por lo tanto, la frecuencia de coli­ siones entre estas partículas, como por ejemplo los hidrocoloides. O tra forma de evitar o retar­ dar la desestabilización de las emulsiones es ta solidificación de la fase continua; esto es lo que ocurre en algunas emulsiones cárnicas al apli­ car calor o en los helados al aplicar frío. A ) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Para conseguir la división de la fase dispersa en multitud de gotas del tamaño requerido (ha­ bitualm ente 1-10 pm) se necesitan fuerzas de cizalla de gran intensidad. El equipo depende de las características de la materia prima: 1. Las mezcladoras de gran velocidad, de tipo turbina y hélice, soa adecuadas para sistemas líquidos de baja viscosidad. Las mezcladoras más lentas, con agitación suave, sólo son útiles para el manejo de sustancias muy viscosas com o ja masa ñi­ pan. 2. Los homogeneizadores a presión (figura 12.6.a), compuestos de una bomba de presión (10-70 M Pa) que hace pasar el lí­ quido a través de una válvula de homo- geneización coa una apertura regulable, se em plean para fluidos poco viscosos como la leche, los helados, los aderezos para ensaladas y las salsas. 3. Los molinos coloidales, con discos verti­ cales en los que la pequeña apertura en­ tre los discos (50-150 pm) y la gran velo­ cidad de giro (3.000-15.000 rpm) dan lu­ gar a grandes turbulencias y fuerzas de cizalla, son útiles para productos muy viscosos como pastas de carne y pescado (figura 12.6.b). Estos molinos suelen es­ tar refrigerados porque la fricción gene­ ra una cantidad de calor considerable. 4. Los homogeneizadores de ultrasonidos, que aplican ondas de sonido de elevada frecuencia (18-30 kHz) generadas por un vibrador de cuña o una cuchilla metálica, se emplean para alimentos líquidos, co­ mo aderezos para ensaladas, emulsiones de aceites esenciales, helados y crem as artificiales (figura 12.6.c). Los ciclos de compresión y tensión y los fenóm enos de cavitación de las burbujas de aire, permiten formar emulsiones con tamaño de gota de 1-2 pm. E ntre las principales aplicaciones de la emulsificación y la homogeneización en la In­ dustria A lim entaria cabe citar la elaboración de tos siguientes productos: 1. M antequilla, por inversión de la em ul­ sión natural de la leche. 2. Margarinas, elaboradas a partir de mez­ clas de grasas y aceites con leche desna- tada, sal, vitaminas y agentes emulsifi- cantes. Tienen una estructura similar a la mantequilla. 3. Leche homogeneizada, en la que la emul­ sión natural de la leche se estabiliza redu­ ciendo el tamaño de los glóbulos de grasa. 4. Helados, una emulsión compleja cuya textura final y estabilidad se logra por la congelación de la emulsión formada en estado líquido. 5. Emulsiones cárnicas como salchichas y patés, en las que los glóbulos de grasa, •) Al mentación— Producto W Elem ento. estacionario A lm e m a d ó n -5 Elemento y rotatorio A rito de ajuste c) Liquido homogeneizado Resonante— I Alimentación 2ZZZZ2Z22 1 Cuchite FIGURA 12. 6. Equipos empieodos habitualmente po­ ra la smulsificación y la hom ogeneización: a) ho- m oge ne izad o r a presión; b) m olino coloidal; y c) h om ogeneizador de ultrasonidos. cubiertos por una fina película proteica, están dispersos en una fase continua acuosa compleja (que contiene diversos com ponentes musculares solubles junto con segmentos de fibras musculares y de tejido conectivo). Un tratam iento térmi­ co posterior contribuye a su estabilidad. 6. Aderezos para ensaladas y mayonesa. 7. Bizcochos y productos de panadería, cu­ ya fase continua tam bién es compleja (con almidón coloidal, azúcares y aromas en solución y burbujas de aire). Se p re ­ paran en forma más o menos líquida, ob­ teniéndose 1a textura final du ran te el horneado. B) Efecto en los alimentos La emulsificación y la hom ogeneización modifican las propiedades funcionales y o r­ ganolépticas de los alim entos. L a viscosidad aumenta notablemente al incrementarse el nú ­ mero de glóbulos grasos en los alimentos líqui­ dos y semilíquidos (por ejem plo, en la leche). La textura de las emulsiones sólidas tam bién cambia, aunque en este caso son fundam enta­ les otras operaciones posteriores, como la con­ gelación en los helados y la aplicación de calor en las emulsiones cárnicas y los productos de panadería. La variación en el color depende en gran medida de la reducción final del tam año de la fase dispersa. La leche hom ogeneizada, por ejem plo, es más blanca. N orm alm ente el sabor y el aroma m ejoran por la distribución más homogénea de los com puestos sápidos y aromáticos. En cuanto al valor nutritivo, la reducción de tamaño de partículas grasas y proteicas puede favorecer su digestibilidad, lo cual es im portan­ te en los alimentos infantiles. La vida útil no cambia, aunque es necesario un procesado higiénico para evitar la d isper­ sión de microorganismos contam inantes que pudieran encontrarse en la materia prima. H a­ bitualmente es necesario complementar con a l­ gún procedimiento de conservación que perm i­ ta alargar la vida útil de las emulsiones. 1 2 .3 . A um en to d e ta m a ñ o La floculación, o formación de agregados insolubles de gran tamaño, es de escaso interés en la Industria Alimentaria, limitándose prácti­ camente a la eliminación de coloides responsa­ bles de turbidez en algunas bebidas, pa ra su clarificación. Los agentes floculantes pueden ser de naturaleza proteica (albúmina de huevo o gelatina), polisacarídica (alginatos) o mineral (bentonitas). La floculación tam bién forma parte de los procesos de purificación de aguas y de los tratamientos de residuos, para la sepa­ ración de materia en suspensión. La aglomeración mejora las propiedades fun­ cionales de los productos en polvo obtenidos por la molienda de sólidos o por la deshidratación de líquidos. Los productos en polvo que tienen un tamaño de partícula demasiado pequeño (< 100 pm) son de difícil manipulación, almacenamien­ to y rehidratación por sus deficientes propie­ dades de flujo (con una gran tendencia a la se­ gregación y al apelm azamiento), así como de humectabilidad y dispersabilidad. Con la aglo­ meración se pretende obtener acúmulos de estas partículas finas que tengan una estructura más abierta. Dependiendo del tipo de industria en la que se aplique, esta operación también se cono­ ce por instaníanázación o granulación. Para aglom erar las partículas es necesario ponerlas en contacto y que al m enos una de ellas tenga una superficie untuosa. E sto se puede conseguir mediante la rehumidificación de las partículas con un líquido o con vapor de agua, lo cual provoca la disolución de parte de los componentes que se encuentran en la super­ ficie de las partículas, aumentando así su visco­ sidad y facilitando su unión (figura 12.7.a). Los aglomerados obtenidos, en los que existen muy pocos puntos de unión entre las distintas partí­ culas, se secan para eliminar el agua añadida en esta operación y se enfrían po r debajo de su punto termoplástico. La posterior clasificación por tamaño elimina tanto los aglomerados de­ masiado grandes como los excesivamente pe­ queños, seleccionándose aquellos que oscilan entre 250 y 400 pm. a) Las partículas da paquete tamate aovan an la zona da agtomaradún por caída La superficie de las partículas sa humadaca por la condensación de vapor da agua yto ooisión oon golas da agua Las partículas hum adacidas oon superficie pegajosa Las panículas sa adhieran entre sí con la formación da puentes líquidos En la zona da sacado los puedas líquidos sa hacen tóftjpg por Ib cristafeadón da sofidoa Zona da aglomeración FIGURA 12.7. Aglomeración: a) secuencia de la formación de aglomerados; y b) equipo paro la aglomeración con inyección de vapor. H abitualm ente la aglom eración se lleva a cabo con agua como medio de humidiftcación, por ejemplo, en los productos lácteos. En oca­ siones se añade un ligante, como maltodextri- ñas o goma arábiga en las esencias aromáticas volátiles. En tos productos con un elevado con­ tenido de grasa, los aglomerados se pueden re­ cubrir con un material que tenga actividad de superficie y disminiya la tensión superficial, fa­ cilitando así su posterior solubilización (por ejemplo, lecitina). El equ ipo utilizado para la aglomeración puede ser un lecho fluidizado o una torre de deshidratación adaptada (figura 12.7.b), en los que se inyecta vapor de agua que se condensa bien en la superficie de las partículas o bien en forma de gotas de agua contra las que pueden colisionar estas partículas. O tra alternativa consiste en la atomización de un líquido sobre la corriente de partículas. En cualquier caso, el resultado es la formación de puentes líquidos y viscosos entre Ls partículas de pequeño tama­ ño. Los aglom erados se estabilizan mediante secado con aire calleóte, que provoca la crista­ lización de las sustancias disueltas en los pu en ­ tes líquidos, quedando unidas así las partículas primarias. Las fuerzas de unión en estos aglo­ m erados son suficientes para im pedir su e ro ­ sión durante el transporte y la dosificación, re­ duciéndose la formación de polvo. Los productos aglomerados tienen buenas propiedades de rehidratación porque los am­ plios espacios de aire que quedan entre las par­ tículas individuales ayudan a la penetración del líquido en la estructura porosa. El líquido pue­ de entonces rodear a cada partícula, facilitando su dispersión en el seno del líquido y su inme­ diata disolución. Es decir, se obtienen produc­ tos instantáneos, que se disuelven com pleta­ mente en-tan sólo unos segundos. E ntre las principales aplicaciones pueden ci­ tarse la aglomeración de leche deshidratada en polvo o fórmulas para alimentación infantil, de concentrados de proteína de suero y caseinatos cáldcos (para mezclas lácteas), proteína de so­ ja (con m ejor dispersabilidad para la elabora­ ción de emulsiones cárnicas) o proteínas de huevo, así como la aglomeración de compues­ tos aromáticos y mezclas de gelatina con saca­ rosa y ácido cítrico (para la preparación de postres). 1 2 .4 . M ezcla La mezcla es una de las operaciones más frecuentes en la Industria A lim entaria, requi- riéndose para la elaboración de prácticamente todos los productos. Consiste en la com bina­ ción de dos o más componentes, para obtener uaa distribución uniforme. E sto se consigue mediante un flujo que, habitualmente, se gene­ ra por procedim ientos mecánicos. Este flujo permite poner en contacto los distintos compo­ nentes de una mezcla (por ejemplo, en la diso­ lución o en la formación de emulsiones) y/o la destrucción de estructuras al hacer un trabajo mecánico adicional (como en la elaboración de productos cárnicos). Con muy pocas excepcio­ nes, entre las que se puede citar la mezcla de componentes para la preparación de sopas se­ cas, ésta suele ser una operación preparativa. No se limita a la mezcla de sólidos o líquidos, sino que también incluye la de gases, siendo és­ te el caso de la preparación de atmósferas mo­ dificadas para el envasado o la carbonatación de bebidas refrescantes (líquido/gas). Cuando se manejan gases, líquidos o pastas viscosas es relativam ente fácil o b ten er una mezcla homogénea. Pero la situación es muy distinta para polvos secos o productos particu­ lados, donde el grado de mezcla depende no sólo de la eficiencia de la m ezcladora, sino también de muchas características de los com ­ ponentes (tam año relativo, forma y densidad de las partículas de cada com ponente, tenden­ cia a form ar agregados, contenido de hum e­ dad. características de superficie y de flujo, etc.). En este caso, las mezclas más hom ogé­ neas se consiguen cuando los distintos compo­ nentes tienen un tamaño, forma y densidad si­ milares. A ) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria El equipo utilizado depende de las caracte­ rísticas de tos materiales que se van a procesar. 1. Líquidos de viscosidad baja o media Para la mezcla de este tipo de productos existe una gran variedad de depósitos estacio­ narios, en los que se disponen agitadores de pa ­ las (20-150 rpm), de turbina (30-500 rpm) o de hélices (400-1.500 rpm; figura 12.8.a). En estos equipos la formación de vórtices, en los que tie­ ne lugar un desplazamiento del fluido en capas laminares concéntricas que no se mezclan entre sí (flujo laminar), se evita colocando los agita­ dores en posición excéntrica, inclinada o tum­ bada en el tanque. También es útil disponer de tabiques deflectores (láminas verticales) en las paredes del tanque, ya que rom pen esas co­ rrientes circulares y crean un flujo turbulento. Las bombas, al crear un flujo turbulento, tam­ bién consiguen un cieno grado de mezcla, tan­ to en ellas como en las conducciones por las que circulan los fluidos. Entre las aplicaciones pueden citarse la di­ lución de disoluciones concentradas y de ingre­ dientes, el batido de productos lácteos, la re ­ constitución de productos en polvo, la mezcla de aceites para la elaboración de margarinas y la preparación de salmueras y jarabes. 2. Líquidos m uy viscosos y pastas Los equipos suelen ser específicos para cada aplicación. La mayor viscosidad de estos pro­ ductos requiere la um tzanon de «quipos n»«» robustos, con una m enor velocidad de agita­ ción y un mayor consumo energético. Para con­ seguir una mezcla homogénea es necesario que todo el producto esté en contacto con el agita­ dor, el cual ha de recorrer todo el recipiente, amasando y envolviendo el producto. Si se ge- FiGuha 12.8. Ejemplos de equipos empiecdos paro la mezcla en la Industria Alimentaría: a) depósito estacionado con hélice, para líquidos de viscosidad baja o media; bj mezcladora horizontal con hoja en Z, para pastas; y c) mezcladora de volteo de doble cono, para alimentos particulados y secos. aera mucho calor por rozamiento será necesa­ rio acoplar un sistem a de refrigeración. Los aparatos más empleados son: n) Lvs mezcladoras de bandeja, estaciona­ ria o giratoria, en las que los elementos de mezcla se disponen con tan sólo una pequeña separación con el tanque de mezcla. b) Las mezcladoras horizontales, que habi­ tualm ente tienen como elem ento mez- Agitador Depósito estaciona río d a d o r una hoja en Z o en I (figura 12.8.b), m ontada horizontalm ente (14- 60rpm ). c) Las mezcladoras continuas, que constan de un tom illo transportador sen d llo o doble que gira en un barril cilindrico y fuerza el paso de la masa viscosa a tra ­ vés de placas perforadas, parrillas o reji­ llas de hilo. En ocasiones tam bién se utilizan molinos coloidales y mezcladoras estáticas de funciona­ miento en continuo. En estas últimas, la mezcla se facilita tanto por el movimiento de les pro­ pios productos durante su flujo por las conduc­ ciones, como por diversos elementos deflecto- res dispuestos a lo largo del recorrido. E ntre las aplicaciones más im portantes se incluyen la preparación de pastas de carne y pescado, de quesos fundidos y de nrfasa de pa­ nadería y la mezcla de quesos. 3. Productos sólidos y secos Con este tipo de productos, la obtención de mezclas con composición uniforme es muy difí­ cil, por la tendencia a la segregación que tienen los distintos com ponentes duran te la opera­ ción. La mejor situación posible que se puede lograr es la distribución ai azar de los compo­ nentes. La posterio r manipulación de estas mezclas ha de ser cuidadosa para evitar, en lo posible, su segregación. Las mezcladoras más utilizadas en este caso son: a) Las mezcladoras de volteo, adecuadas pa­ ra la mezcla de polvos de características similares. Consisten en un depósito gira­ torio (20-100 rpm ) de múltiples formas (cilindro horizontal, cono doble, cono oblicuo, cono en V y cono en Y) en el que el producto ocupa aproxim adam ente el 50% de su volumen (figura 12.8.c). La efi­ ciencia de la mezcla se mejora con deflec- tores y mecanismos giratorios internos. b) Las mezcladoras de cintas, aplicables a productos con te n d ea d a a la segrega­ ción. El movimiento de dos cintas m etá­ licas, situadas en un reáp ien te horizontal estadonario, que giran en sentido opues­ to y a distinta veloddad, produce la mez­ cla al mismo tiempo que la impulsa. P er­ miten la operadón en continuo. c) Las mezcladoras de tom illo vertical, de gran utilidad para incorporar pequeñas cantidades de ingredientes a una gran cantidad de producto. El tornillo puede estar en un recipiente cilindrico o cónico y puede girar centralmente o describien­ do órbitas. d) Las mezcladoras de lecho flu id izado se emplean para la mezcla de partículas con características de fluidización similares (tamaño, densidad, etc.). La preparadón de sopas secas o de mezclas de ingredientes para la elaboración de tartas y la incorporación de aditivos a productos secos son ejemplos de la mezcla de sólidos particulados. B) Efecto en los alimentos Las operaciones de mezcla mejoran la cali­ dad sensorial y las propiedades funcionales de los alim entos porque aum entan su uniform i­ dad, al tener los componentes una distribución más homogénea. Esto es interesante no sólo para el consumidor, sino también para el poste­ rior procesado de los alimentos ya que es muy deseable que los productos a tra tar sean hom o­ géneos. U na mezcla adecuada también es necesaria para asegurar que los productos cumplan la le­ gislación correspondiente y contengan los in­ gredientes en la cantidad especificada (por ejem plo, los productos cárnicos o las mezclas de vegetales). Aunque la mezcla no tiene un efectq directo ni en la calidad nutritiva ni en la vida útil de los alim entos, indirectam ente puede alterarla al perm itir que los distintos componentes reaccio­ nen entre sí, especialmente si se genera calor durante la operación. 12.5. Moldeado El moldeado o form ado se aplica a alimen­ tos muy viscosos o pastosos para darles diver­ sas formas y tamaños, siendo su principal obje­ tivo aumentar la diversidad y ofrecer al consu­ m idor un producto atractivo. A dem ás de la forma, también es im portante obtener un ta­ maño homogéneo, por su repercusión en ope­ raciones posteriores (transmisión de calor, con­ trol de la cantidad de relleno que se va a intro­ ducir, envasado, etc.). Los equipos utilizados son muy variados y específicos de cada producto, por lo que no es posible tratarlos aquí con gran detalle. Pueden consistir en rodillos con moldes que presionan una lámina continua de masa, cintas continuas con moldes individuales donde se introduce el volum en adecuado o m oldes individuales (tripa natural, recipientes metálicos o plásticos). En algunos casos es necesaria la aplicación de ca­ lor para fundir una pequeña proporción de un com ponente term oplástico o para la gelifica- ción de las proteínas; m ientras que en otros pa­ ra fijar la forma adecuada es necesario lo con­ trario, es decir, el enfriamiento de la masa. En la elaboración de embutidos y productos cárnicos el moldeado es una etapa de gran im­ portancia que se realiza introduciendo la masa cárnica en tripas naturales o de materiales ce­ lulósicos, o bien en moldes metálicos. D entro de la industria láctea, se aplica para dar a los granos de cuajada la form a característica del queso, formar los bloques de mantequilla y ob­ tener distintas variedades de helados. La ob­ tención de una form a característica es funda­ m ental en la producción de aperitivos y pro­ ductos de confitería. Esta operación no tiene ningún efecto des- tacable en las características sensoriales, el va­ lor nutritivo o la vida útil de los alimentos. 12.6. Modificación de la textura La textura es una de las cualidades de los ali­ mentos más valoradas y reconocidas por los consumidores. Aunque es difícil dar una defini­ ción exacta de textura, se puede considerar re­ lacionada con la percepción asociada al sentido del tacto, bien a través de los dedos, la mano o la boca. Son varias las operaciones por las cua­ les puede modificarse ia textura de las materias primas alimentarías, pudiendo citarse entre ellas la gelificación, la texturización y la extru­ sión. Las dos primeras se tratarán brevemente a continuación, mientras que la extrusión, dada su complejidad, se desarrollará en el siguiente apartado. 12.6.1. Gelificación Los principales objetivos de la formación de un gel en la Industria Alimentaria son: a) Proporcionar una consistencia adecuada a los alimentos, para que mantengan su forma y tengan una textura apropiada al masticar (por ejemplo, los flanes). b) D ar al producto estabilidad física, man­ teniendo partículas en suspensión y difi­ cultando su sedimentación y agregación o evitando la sinéresis y el movimiento de solutos por difusión. Los componentes de los alimentos que pue­ den formar geles son los polisacáridos (almi­ dón, hidrocoloides), las proteínas (actomiosina, gelatina, ovoalbúmina, soja) y las partículas co­ loidales complejas (micelas de caseína), bien solos o combinados. Cada agente gelificante requiere distintas condiciones para la forma­ ción de un gel (capítulos 4 y 5). La rigidez, elas­ ticidad y fragilidad dei gel dependen; entre otros factores, del tipo y concentración de agente gelificante, de la concentración de sal, del pH de la fase acuosa y de la temperatura. Además, no hay que olvidar que el resto de los com ponentes de! producto pueden afectar al proceso. La form ación de los geles proteicos suele requerir la desnaturalización y despliegue de las cadenas polipeptídicas, mediante la aplica­ ción de calor o el cambio del pH de la solución proteica, tras lo cual se asocian gradualmente para form ar una red tridimensional. En algu­ nos casos, en cambio, tan sólo se requiere una hidrólisis enzim ática (cuajada). Los geies de polisacárídos se forman a partir de soluciones diluidas, por la asociación de regiones estructu­ rales regulares de las cadenas, mediante catio­ nes dtvalentes o formación de hélices. En gene­ ral, los geles de polisacárídos son más quebra­ dizos y m enos elásticos que los proteicos porque la estructura de sus cadenas es más rígi­ da y las regiones entre los puntos de unión de varias cadenas suelen ser más cortas, aunque depende mucho del tipo de polisacárído. Para la formación de geles no se requieren aparatos específicos, ya que la operación d e ­ penderá en gran medida del agente gelificante. En muchos casos es necesaiio aplicar calor, lo cual se puede hacer cuando el producto está en un molde (por ejemplo, en los productos cárni­ cos), m ientras que en otros la gelificación tiene lugar durante el posterior reposo y enfriamien­ to de la solución calentada y vertida en el mol­ de (gelatinas de repostería). Son muchos los alimentos cuya textura de­ pende de la formación de un gel. Entre los ge­ les proteicos más im portantes se encuentran el yogur, la cuajada, los productos cárnicos pica­ dos, el kam aboko. la gelatina, el tofu y la masa de panadería . A lgunas proteínas (caseinatos, pro teínas del suero de leche, de la clara de huevo o de soja) se añaden precisamente como ingredientes-durante la elaboración de diversos productos, en tre otras razones, por sus propie­ dades gelificantes. Los polisacárídos (pectinas, alginacos, carragenatos) también son muy utili­ zados como ingredientes por el mismo motivo en la elaboración de mermeladas, helados, pos­ tres, productos de confitería y cremas de relle­ no de pasteles y tanas. En la actualidad hay un gran interés en las mezclas de biopolfmeros para la formación de geles, bien por razones económicas o por la po­ sibilidad de obtener nuevas texturas. Éste es el caso de algunos rellenos de tana, que se elabo­ ran con una mezcla de gelatina y agar. Cada bio- polímero contribuye a la formación de una red independiente, pero entrem ezclada con la del otro. La red de agar se mantiene a temperaturas superiores a los 30 aC, mientras que la facilidad con que íunde el gel de gelatina en la boca pro­ porciona la sensación adecuada. O tra posibili­ dad es formar una única red por combinación de dos tipos distintos de biopolímeros. Esta red tendrá ur.as propiedades reotógicas nuevas y di­ ferentes í. las de los geles individuales. 12.6.2. Taxtvrízación La texturización tiene por objetivo la trans­ formación de disoluciones de proteínas, con ca­ racterísticas organolépticas deficientes, en pelí­ culas, fibras o panículas que tengan una textu­ ra masticable y una buena retención de agua. La texturización de las proteínas y los principa­ les métodos utilizados se describen en el capí­ tulo 4. Como materia prima se emplean proteí­ nas vegetales (soja) o productos ricos en prote­ ínas animales de baja calidad comercial (suero lácteo, subproductos cárnicos o pescados sin valor comercial). Los productos cexturizados se añaden , en ocasiones, a los productos cárnicos picados pa­ ra mejorar su aspecto fibroso. También son úti­ les para la elaboración de carnes fabricadas porque las fibras se pueden organizar de tal forma que asemejan fibras musculares reales. Los productos resultantes llegan a tener, inclu­ so, la misma apariencia que el pescado, el ja ­ món o la carne de pollo y ternera. Estos pro­ ductos son de interés, no sólo por el reducido coste de la materia prima, sino también para la alimentación de personas con restricciones die­ téticas (aiveles controlados de grasa) o vegeta­ rianos. 12.7. Extrusión La extrusión, más que una operación, debe considerarse como un prcceso completo y con­ tinuo que combina distintas operaciones unita­ rias: transporte, mezcla, am asado, cocción y moldeado. Su principal objetivo es diversificar los alimentos porque permite obtener, a partir de ingredientes básicos, productos muy varia­ dos en cuanto a forma y textura. Es uno de los proceso:- más versátiles y me­ jo r establecidos en la Industria Alimentaria ac­ tual por los siguientes mo'ivos: a) Los alimentos sufren un procesado míni­ mo. en cuanto al ca!or y las fuerzas de ci­ zalla empleadas, y i que es muy rápido (segundos). b) Versatilidad, porque sirve para la elabo­ ración de p ro d u c t» tradicionales m e­ diante una operación continua y eficien­ te, así como de una gran diversidad de otros nuevos, con tan sólo cam biar tos ingredientes o las condiciones de opera­ ción. c) Muchos de los productos que se ob tie ­ nen son únicos y no se pueden elaborar por otros métodos. d) Con respecto a los métodos tradicionales equivalentes, el coste de inversión y ope­ ración es inferior y la productividad m a­ yor. e) Automatización elevada. f) Ausencia de efluentes. El proceso implica el acondicionamiento de la m ateria prima (com puesta principalm ente por proteínas y/o polisacáridos) hasta un con­ tenido de humedad del 15-40% Esta mezcla se introduce a continuación en el cuerpo del ex- trusor, donde el giro de un tornillo fuerza su paso a través de una boquilla o placa perfora­ da. La formulación, basada en un biopolímero. sufre una compleja transformación fisicoquími­ ca, obteniéndose una masa viscoelástica que se puede moldear. Estas transformaciones deri­ van de la energía mecánica y/o térmica aplica­ d a al material durante su transporte en el ex- trusor. D ependiendo de la aplicación de calor du ­ rante el proceso se distinguen: a) Extrusión dé moldeado o en fr ió , que transforma la mezcla de ingredientes en un producto extruido cohesivo y hom o­ géneo, sin que sea necesario un calenta­ miento. Los productos típicos e labo ra­ dos con este tipo de extrusión son las pastas alimenticias, la masa de panadería y los caramelos. b) Extrusión con cocción o en caliente, que, como su propio nombre indica, implica el cocinado o calentamiento de tos ingre­ dientes por la acción combinada del ca­ lor aplicado al cuerpo dei extrusor y del generado por las fuerzas de cizalla y la elevada presión alcanzada (hasta 250 °C y 25 MPa). En este caso, el extrusor se puede considerar como un reactor qu í­ mico continuo, capaz de procesar biopo- limeros o ingredientes de o tra naturaleza con un contenido bastante bajo de hu­ medad. a tem peratura, presión y fuerzas de cizalla relativamente elevadas. En es­ tas condiciones, el biopolím ero plástico se funde y su estructura se fija posterior­ mente al salir a través de la placa perfo­ rada. Su estado Buido original se trans­ forma en gomoso y posteriorm ente, al enfriarse y/o secarse, en uno vitreo y es­ table. Las propiedades viscoelásticas de la masa y ia disminución de la presión ai salir de la boquilla, causan la evapora­ ción instantánea de una parte dei agua, provocando que la masa se hinche y se expanda anisotrópicamente, dando lugar a un producto con una estructura porosa. Las características del producto final, en cualquiera de los dos tipos de extrusión, d e ­ penden de las características de la materia pri­ ma (contenido en agua, estructura física y com ­ posición química) y de las condiciones en que se realiza la extrusión (tem peratura, presión, tamaño de los orificios de la boquilla e intensi­ dad de las fuerzas de cizalla). La diferencia de com portam iento de los materiales ricos en polisacárídos y de los ricos en protelna hay que atribuirla a la existencia de distintos tipos de interacciones moleculares. Los m ateriales ricos en polisacárídos, funda­ m entalm ente alm idón, son bastante homo­ géneos en cuanto a la composición de sus mo- nómeros. L a principal interacción en tre las macromoléculas, responsables de la estructura final del producto extruido, probablemente sea de naturaleza electrostática (entre los residuos de azúcar). Puesto que sólo existe un tipo de interacción, durante el proceso hay una transi­ ción muy clara de polvo humedecido y compri­ mido a una fase fundida (por ia reducción si­ m ultánea de todas las fuerzas cooperativas, que tienen una energía similar). La conducta de flujo y la magnitud de la expansión del pro­ ducto se pueden predecir con relativa facilidad, ya que dependen, principalm ente, de la con­ centración de polím ero y del contenido en agua. Como estas interacciones son relativa­ mente débiles, los productos que se obtienen son muy expandidos y tienen una estructura bastante frágil que se rompe fácilmente en pre­ sencia de agua. Estos productos se pueden con­ sumir directam ente tras su obtención, sin nece­ sidad de un posterior procesado (por ejemplo, algunos aperitivos). La adición de proteínas a estas harinas ricas en almidón cambia su com­ portamiento: los productos se expanden menos y son más densos, más resistentes a la disrup- ción por agua y, en general, menos apropiados para el consumo directo. Necesitan hidratación y se reducen previamente a material en polvo que tiene utilidad como ingrediente funcional. En cambio, los materiales ricos en proteína tienen una gran diversidad de monómeros y de interacciones posibles, tanto entre las moléculas de proteína como entre las proteínas y otras mo­ léculas. H abitualm ente no hay una transición tan clara a una fase fundida y la expansión del producto es más ¡mprededble. Se coasidera que las proteínas sufren las siguientes transformacio­ nes durante el proceso de extrusión: la disgrega­ ción de ia harina por la mezcla mecánica, la for­ mación de una suspensión hom ogénea con la desnaturalización sim ultánea de las proteínas (por disociación y separación de cadenas), el ali­ neamiento de esas proteínas desnaturalizadas en la dirección del flujo y, finalmente, su entre- cruzamiento a la salida de la placa perforada. A pesar de la investigación realizada duran­ te los últimos años, la extrusión aún se conside­ ra como un arte en desarrollo más que una tec­ nología plenam ente desarrollada. Tan só ta ¿ e han logrado deducir algunas reglas empíricas y modelos matemáticos que relacionan la contri­ bución al producto final de cada una de las va­ riables del proceso y de la composición de los ingredientes. A ) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria En estos momentos existe una cierta varie­ dad de extrusores o extruidores en la Industria A lim entaria para distintos fines, aunque su funcionam iento y com ponentes son sim ilares (figura 12.9). La tolva de alim entación recibe los ingre­ dientes y los introduce en el cuerpo del extru- sor (cilindrico o cónico), en cuyo in terio r se encuentra un tornillo de A rquím edes. E ste tornillo, que puede tener distintas configura­ ciones, arrastra, comprim e, desgarra y amasa la materia prima para form ar una masa semi- sólida y plástica, que es forzada a salir a través de los orificios de una boquilla. En la salida, una guillotina o cuchilla giratoria perm ite o b ­ tener productos con un tam año adecuado. El cuerpo del extrusor puede esta r rodeado de camisas para calentar o enfriar la m ateria tra ­ tada. A estos com ponentes básicos se pueden añadir otros adicionales, desde premezctadoras y preacondicionadoras de la materia prim a pa­ Tolva de Dobla camisa Tom B o Dobla camisa S E C C IÓ N D E S E C C IÓ N O E S E C C IÓ N D E A U M E N TA C IÓ N A M A S A D O M EDIOA Entrada de producto Boquilla 1. Extrusores en frío Fueron los primeros extrusores desarrolla­ do: y se utilizaban can sólo para dar forma a al­ gunos productos (como macarrones o cereales listos para consum ir). D entro del extrusor no se genera una gran cantidad de calor y tampo­ co se aplica calor externo. D e hecho, interesa reducir la fricción al mínimo, por lo que se em­ plean tornillos con alas muy profundas que se mut ven a muy poca velocidad en el interior de un tubo de paredes lisas. Este tipo de extrusor se utiliza, básicamente, para mezclar productos en polvo con agua, aplicar presión a la masa y darlo form a al salir por la boquilla. Su principal utilidad es la elaboración de pastas alimenticias, salchichas y algunas pastas para confitería y pastelería. 2. E ttruso res en caliente El ca len tam ien to de la masa se produce, además de po r la fricción generada por el to r­ nillo y el relieve interno del-cilindro durante el paso de la m asa, mediante la aplicación de va­ por de agua. Este vapor puede circular por el interior del tornillo, por camisas que rodean el cuerpo del extrusor o inyectarse directamente en el cilindro. Ocasionalmente, la camisa se pue­ de calentar por inducción. Se considera que el calentamiento en estos extrusores es del tipo HTST, con un tiempo de residencia de unos pocos segundos a una alta tem peratura (150-200 “C; figura 12.9). De esta forma, se consigue la mínima degradación quí­ mica de los com ponentes del alimento. Las características del producto final varia­ rán con la p resión y el tipo de boquilla que se use. Si la p resión es elevada y la boquilla p e ­ queña, la presión descenderá rápidamente al salir el p roduc to , ocasionando la rápida ex­ pansión del vapor y de los gases contenidos en la masa. Se ob tendrán , po r lo tanto, productos muy expand idos y poco densos, pudiendo controlarse el grado de expansión coa la p re­ sión y la tem peratura del proceso. Por el con­ trario, con presiones bajas y boquillas archas los productos serán más densos. É stos se pue­ den expandir, posteriorm ente, m ed ian te la aplicación de calor (aire caliente, m icroordas, fritura, tostado , etc.) que evaporará el agua residual. 3. Extrusores de tomillo único El tornillo puede ser una única pieza, í.un- que normalmente consiste en un eje en el que se insertan secciones de tornillo con distintas configuraciones, aumentando así su versatili­ dad. Constan de tres secciones: de a lim en ta­ ción, de amasado y de medida. En la prim era sección se recibe, transporta y mezcla la materia prima. En la de amasado, la compresión del material aumenta con el diá­ metro del tomillo y la mayor parte de da ener­ gía mecánica se transforma en energía térmica. E sto provoca un rápido aum ento de la tem ­ peratura y la transformación de los ingredien­ t e s granulares en una masa plástica continua. El grado de mezcla que se alcanza en estos ex­ trusores es bastante bajo, porque d en tro del extrusor existen condiciones de flujo laminar. La sección de medida contribuye a que el flujo de salida sea homogéneo (para que el producto final tenga unas dimensiones uniformes), a ge­ nerar la suficiente presión en el m ateria l y a forzar el paso de la masa plástica a través de la boquilla. Hay distintos tipos de extrusores según la intensidad de la fuerza de cizalla: baja, m ode­ rada y elevada. C uanto más intensa sea ésta (por mayor compresión y velocidad del tom i­ llo), menor será el contenido de hum edad que ha de tener la alimentación y mayor se rá la tem peratura máxima que alcance el producto. Los extrusores de baja fuerza de cizalla son adecuados para pasta y productos cárnicos; los de fuerza de cizalla moderada para p ro te ína vegetal texturizada o alimentos IM F para ani­ males de compañía; mientras que los de fuerza de cizalla elevada son útiles para aperitivos y cereales de desayuno. Los extrusores de un único tornillo son de manejo muy sencillo, pero tienen como incon­ venientes no adm itir un rango de tamaño va­ riado en el m aterial de partida, realizar una mezcla deficiente y no ser autolimpiables. 4. Extrusores de tornillos gemelos Su mayor núm ero de aplicaciones hace que tengan más interés que los anteriores. Los tornillos pueden tener varias configu­ raciones. E n p rim er lugar, po r el sentido de rotación: igual u opuesto. Según esto, cambian las condiciones de transporte y las aplicacio­ nes tecnológicas, siendo los primeros más po­ pulares por tener mayor capacidad. Ambos ti­ pos pueden, además, tener distinta disposición relativa: engranados to ta l o parcialm ente, o no engranados. Los tornillos que giran en la misma dirección funcionan como bombas dé desplazam iento positivo y son muy adecuados para m ateria les muy viscosos, m ientras que ios que giran en dirección opuesta son útiles para pastas de poca viscosidad, en las que in­ teresa La generación de una presión más e le­ vada. Estos extrusores, en comparación con los de tornillo único, perm iten m anejar productos más diversos (aceitosos, pegajosos, con mayor contenido de agua y con una distribución de ta­ maño más variada), logran una mezcla más efi­ ciente (y por lo tanto la transferencia de calor es m ejor), sufren menos desgaste y son auto­ limpiables. Su coste económico es mayor por su complejidad. Las aplicaciones de 4a extras«ó& en la fndns- tria A lim entaría son muy diversas. La materia prima de partida suele consistir en harinas que contienen almidones y/o proteínas, a las que se añaden cantidades variables de grasas, azúca­ res y agua. Entre los productos elaborados con materias primas con carbohidratos como com­ ponente mayoritario se encuentran: a) Cert ales y derivados. La extrusión es útil para la preparación de masa de panade­ ría > la elaboración de galletas, pan tos­ tado, cereales de desayuno (tipo copos), aperitivos fritos y horneados y pasta. En el caso de la'pasta, la aplicación más an­ tigua, se hace a baja tem peratura (< 50 ®C, icfrigerando si es necesario) porque el principat objetivo de la extrusión, en este caso, es amasar y dar forma al pro- duct b) Productos de confitería, en los que el al­ midón es el com ponente básico, como por ejemplo los caramelos masticables, el rega iz y las gomas de mascar. Se obtie­ nen :o r extrusión HTST a partir de una mezcla de glucosa y almidón, a la que se añaden colorantes y saborizantes. Los ca­ ramelos duros se elaboran a partir de azúcar y jarabe de maíz, formándose una masa homogénea sin cristales con un con­ tenido de agua muy bajo. La extrusión permite el procesado de azúcares con un bajo contenido de agua y supone un gran ahorro energético con respecto a los m é­ todos tradicionales (evaporadores). Los productos proteicos, como surimi, salchi­ chas. proteína texturizada (soja, suero de leche, caseínas), análogos de carne y alimentos para animales de compañía, normalmente requieren la aplicación de calor. Una de las áreas que tiene un gran potencial es la texturización de proteína para obtener estructuras fibrosas similares a la carne, utilizando como materia prima la proce­ dente de subproductos, de desechos de la indus­ tria tradicional, de nuevas especies agronómicas de cereales o de especies infrautilizadas. Aunque «e han-intentado citar las principa­ les aplicaciones de la extrusión en la Industria Alimentaría, éstas son prácticam ente innume­ rables: elaboración de chocolate, producción de aromas mediante caramelización o control de la reacción de M aillard en tre azúcares y aminoácidos, modificación de almidones, ob­ tención de jarabes de almidón, etc. B) Efecto en los alimentos Una de las consecuencias más importantes de la extrusión es el marcado cambio de textu­ ra que tiene tugar con respecto a la materia pri­ ma original. De hecho, éste es su principal ob­ jetivo. Cuando en la formulación hay azúcares y proteínas y se alcanza una temperatura eleva­ da, se puede producir la reacción de Maiüard. Esta reacción está favorecida porque la masa tiene un contenido de humedad intermedio. Habitualmente se observa una pérdida de co­ lor y de compuestos aromáticos y sápidos, ya sean naturales o añadidos, por lo que en el últi­ mo caso es conveniente añadirlos a los produc­ tos ya extruidos. El cambio en el valor nutritivo depende en gran medida de la severidad del tratamiento. En general, mejora como consecuencia de una mayor digestibilidad (por la gelatinización del almidón y la desnaturalización proteica) y de la inactivación de factores antinutritivos pre­ sentes en la materia prima (inhibidores de proteinasas en la protefna de soja, por ejem­ plo). Por otra parte, la cantidad de lisina dis­ ponible puede reducirse como consecuencia de la reacción de Maillard. Esto es especial­ mente importante en los cereales, en los que este aminoácido es limitante, habiéndose des­ crito pérdidas de hasta el 30%. Las pérdidas de vitaminas, de forma similar a lo que ocurre en otros tratamientos en los que se aplica ca­ lor, dependerán del tipo de producto y de su contenido de humedad, así como de las varia­ bles tiempo y temperatura del proceso. La extrusión, a diferencia de la mayoría de las operaciones de transformación, aumenta la vida útil de los productos porque tanto los ex­ truidos en frío como los extruidos en caliente tienen una am reducida. La extrusión con calor es un proceso HTST, inactivándose microor­ ganismos y enzimas (como la ureasa de la so­ ja). Por esta razón se ha sugerido que las es­ pecias podrían esterilizarse mediante extru­ sión. 12.8 . Operaciones de separación En muchos procesos de la Industria A li­ mentaria es necesario eliminar u obtener cier­ tos componentes de las materias primas ali­ mentarias, ya sean materiales sólidos, líquidos o gaseosos. Los procedimientos utilizados son, en general, físicos o químicos. Las principales operaciones de separación realizadas por medios físicos (gravedad, fuerzas centrífugas o cinéticas) se indican en el cuadro 122. El tipo de separación depende, además del tipo de fuerza, de las características de la fase a separar tamaño, forma y densidad para los sóli­ dos; viscosidad y densidad para los fluidos. La limpieza de la materia prima alimentaria tam­ bién debe considerarse como una operación de separación, puesto que consiste en eliminar ma­ teriales extraños de los alimentos. La separación por medios químicos implica la utilización de compuestos que tengan una elevada afinidad por el componente a obtener o eliminar. ClMMO 12.2. Prmcipaltsoptfociontsdt stporaeión botados tn m étodo* (¡ticos o mtcónicot. Matorral» a Mparor Optroclonti Sólida d t tólido Stltcdón, doiificooón. lomizodo Sólido da liquido Stdimtntoeión, etmribgodón. Miración liquido d t «óWo Pransodo liquido d t liquido Ctntrifug ación C om í d t sólidoi o líquidos Evacuación d t aii* 12.8.1. Selección y dosificación La selección consiste en dividir la materia prima alimentaria en grupos en función de al­ guna propiedad física (generalmente el tama­ ño, el peso, la forma o el color), mientras que la clasificación lo hace según su calidad. El principal objetivo, en ambos casos, es asegurar la uniformidad de los productos, bien para su venta o para su posterior procesado (trata­ mientos térmicos, envasado, etc.).; El equipo que se ha de emplear depende de la'.propiedad física en la que se basa la operación jt.de la na­ turaleza del alimento. El tamizado o selección por tamaño permite dividir una mezcla de partículas sólidas en dos, o mis fracciones, con un tamaño medio de partí­ cula más uniforme. Los tamices o cribas utiliza­ dos pueden ser de apertura fija o variable y te­ ner diversas configuraciones. Así, hay tamices de superficies perforadas planas o cilindricas, con disposición horizontal o con una cierta incli­ nación. También existen dispositivos de barras, cintas, etc. Es habitual que los tamices tengan un movimiento vibratorio y/o rotatorio para evi­ tar que las partículas bloqueen las aperturas y se agreguen entre sí o se adhieran a la criba. Otro de los criterios habituales en la selec­ ción es la forma del producto, porque influye en su precio en el mercado y en la facilidad con que se llevarán a cabo otros procesos posterio­ res (envasado, pelado, etc.). En algunos casos (manzanas, peras) se realiza mediante inspec­ ción visual, sirviendo como referencia un pa­ trón de formas, mientras que en otros se hace mecánicamente con aparatos específicos. En la actualidad, para la selección por tamaño y for­ ma cada vez son más habituales los sistemas de visión instrumentales acoplados a ordenadores, que tienen un rendimiento y una eficacia supe­ riores a los métodos manuales. El peso permite una selección más exacta que el tamaño y suele ser una de las variables de mayor interés en materias primas con un coste elevado (huevos, filetes de carne o pesca­ do, etc.). La selección por peso puede hacerse mediante balanzas o, si se trata de materiales con distinta densidad, por aspiración o flota­ ción. Esta operación también se lleva a cabo hoy día con sistemas automáticos controlados por ordenadores. El color es otro de los criterios utilizados para la selección. En algunos alimentos (frutas y hortalizas, carnes frescas o productos hor­ neados y fritos), el grado de madurez, los defec­ tos superficiales o un tratamiento adecuado se correlacionan con la cantidad de luz reflejada en la superficie del alimento. La necesidad de una mayor consistencia, objetividad y velocidad en este tipo de separación ha determinado que la visión humana se haya reemplazado gradual­ mente por colorímetros, espectrofotómetros o fotocélulas, que activan sistemas de rechazo pa­ ra los productos defectuosos. Es posible, inclu­ so, integrar sistemas inteligentes de visión por ordenador que permiten la interpretación de los datos recabados, de forma similar a como lo haría el cerebro humano, e incluso evaluar atri­ butos no perceptibles por el hombre. La clasificación o separación de los alimen­ tos en función de su calidad requiere, a diferen­ cia de las operaciones de selección, la evalua­ ción global del producto. Esta operación La rea­ lizan habitualmente operarios entrenados, que valoran al mismo tiynpo diversas caracterís­ ticas del producto. Es así como se clasifican las canales, el pescado o los huevos. En algunos ca­ sos puede requerir el análisis de la composición química (por ejemplo, el contenido en hume­ dad o en proteínas). El desarrollo de equipos especializados, para mejorar la reproducibili- dad y reducir el coste de la operación manual, no es sencillo puesto que normalmente la cali­ dad no es reflejo de una única característica. Sin embargo, se está haciendo un esfuerzo no­ table en este área, intentando correlacionar la calidad de un producto con un único indicador que se pueda medir instrumentalmente. Ésta es la filosofía de algunos métodos desarrollados recientemente, por ejemplo para determinar la calidad de la carne fresca y de los tejidos vege­ tales basándose en parámetros ultrasónicos (ve­ locidad y atenuación del sonido). 12.8.2. Sedimentación La sedimentación permite la separación de un sólido presente en un fluido o de dos fluidos inmiscibles por medio de, tan sólo, la acción de FIGURA 1 2.10. Esquema de un ciclón. la fuerza de la gravedad. La velocidad a la que se produce la sedimentación depende del tama­ ño de las partículas o de las gotas del fluido, la diferencia de densidades entre la partícula (o go­ ta) y el fluido y la viscosidad de este Cdtimo (ley de Stokes). La separación sólo tendrá iugar si tas distintas fases difieren en cuanto a su densidad. Esta operación generalmente req riere mu­ cho tiempo, sobre todo si la diferencia de den­ sidades entre las fases no es muy grande o si existen otras fuerzas que mantengan asociados los componentes (por ejemplo, en las emulsio­ nes). Para acelerar y mejorar la separación ge­ neralmente se hace uso de fuerzas adicionales, como la centrífuga. El equipo más corriente consiste en simples tanques de sedimentación, cuyas dimensiones han de ser adecuadas para permitir la separa­ ción de las dos fases. También es necesario controlar el flujo, que no ha de perturoar la se­ dimentación de la fase más densa. Una de las principales aplicaciones en la In­ dustria Alimentaria es la recuperación de finos tras la deshidratación por atomización o la mo­ lienda. Esto se lleva a cabo habitualmente en un ciclón (figura 12.10). Se trata de una cámara cilindrica vertical en la que el aire que contiene las panículas entra tangencialmente por la par­ te superior y circula en espiral. Sobre las paní­ culas se crean fuerzas centrífugas, que se suman a las gravitatorias, aumentando notablemente la velocidad de sedimentación. El recorrido del aire en el ciclón es lo suficientemente largo pa­ ra permitir la separación de las panículas de 2 10 pm de diámetro presentes en una corriente de aire (o gotas de líquidos en gases). La sedimentación también es útil para la limpieza de la materia prima, la separación de sólidos en efluentes y la eliminación de polvo o partículas finas del aire. 12.8.3. Centrifugación La centrifugación, al igual que la sedimenta­ ción. permite separar sólidos de líquidos o lí­ quidos inmiscibles. La diferencia consiste en que en este caso la separación se lleva a cabo por la acción de fuerzas centrífugas que se ge­ neran durante la rotación del material. En la práctica,.las fuerzas centrífugas son tan grandes que los efectos debidos a la fuerza de la grave­ dad, aunque presentes, se pueden despreciar. La intensidad de la fuerza centrífuga generada depende del radio y de la velocidad de rota­ ción, así como de la masa de la partícula a se­ parar. La velocidad de separación dependerá de la velocidad de rotación y de las mismas va­ riab le indicadas para la sedimentación. A) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Una centrifuga consiste, en esencia, en una cámara o recipiente cilfndrico que gira alrede­ dor d i su eje vertical. Las formas básicas de es­ tas cámaras, con diversos dispositivos internos para mejorar la separación, se muestran en la figura 12.11. Al introducir una disolución con sólidos o una mezcla de dos líquidos inmisci­ bles, ia fracción más ligera permanecerá cerca del eje de rotación, mientras que la más pesada se dirigirá a la periferia de la cámara por la ac­ ción de la fuerza centrífuga. El equipo utilizado depende en gran medida de la aplicación a la que se destina. 1. Separación de líquidos inmiscibles La centrífuga más sencilla para este propó­ sito es la de cámara tubular (10 cm de diámetro y 75 cm de altura; 15.000-50.000 rpm). La e Ü- mentación se realiza por la base, separándose los dos líquidos en capas que tienen salidas in­ dependientes por la parte superior. Aunque por su bajo rendimiento no son muy frecuentes en la Industria Alimentaría, se pueden utilizar para el refinado de aceites comestibles (desgo­ mado de aceite crudo, separación de jabonss tras la neutralización o lavados posteriores) y la separación de sangre animal (plasma y he­ moglobina). Las centrifugas de discos o platillos consis­ ten en una cámara cilindrica (0,2-l,2 m de diá­ metro; 2.000-7.000 rpm) que contiene en su in­ terior un conjunto de superficies metálicas có­ nicas que se conocen con el nombre de discos o platillos (0,3 mm de espesor), con una separa- Figura 1 2 .11 . Tipos básicos de cám aros d e centrifugas: a) tubular; b] de platillos o discos; y c) mulhcómaro. dón entre discos de 0,5-1,3 mm (figura 12.12). Todos los discos tienen un orifido central, por donde se ensamblan en un eje hueco (por el que se introduce la alimentadón en la cámara), y un conjunto de orifidos coincidentes, que forman canales por donde fluye el líquido en sentido ascendente. Cuando un fluido entra en la cámara por la parte inferior, la fase más densa se desplaza hada la pared de la cámara, mien­ tras que la menos densa se dirige hada los dis­ cos. En el interior de los discos, a su vez, la fase densa drcula por la parte inferior de los discos hada el exterior de la cámara, mientras que la ligera lo hace por la parte superior de los dis- e) Centrifuga de discos o p istilos Alimentación b) Detalle de un disco Canales de salida da liquido ligero Canal central de alimentación c) Circulación del fhikfo en el Interior del paquete de discos Liquido Uquido— jT ] denso ,1 j FIGURA 12.12. Centrífuga d e discos o platillos: o) esquema general de la cen­ trífuga; b) detalle de un disco; y c) esquema de lo circulación del Ruido en el interior del paquete de discos. eos y hacia el centro (figura 12.12.c). La fun­ dón de estos discos es dividir el líquido en ca­ pas muy delgadas. En estas capas, la distanda que han de recorrer las partículas o las gotas de líquido inmiscible para una separación eficien- te es muy pequeña, alcanzando rápidamente la corriente de salida apropiada. Las centrífugas de discos o platillos tienen una gran difusión en la industria láctea para desnatar la leche (desnatadoras centrífugas). También se emplean en la industria cárnica pa­ ra la obtención de plasma y suero sanguíneo, la limpieza y eliminación de grasa de los caldos de cocción o la clarificación de grasas animales. 2. Separación de sólidos insolubles de líquidos Se habla de clarificacjón cuando el objetivo es eliminar por centrifugación concentradones muy pequeñas de sólidos insolubles (3% p/p máximo; por ejemplo, en zumos de frutas, ex­ tractos de café o aceites). Cuando la concentra­ ción de sólidos es mayor (2 5-6% p/p), se habla de separación de lodos, siendo necesario en es­ te caso un mecanismo que permita la descarga de los sólidos insolubles, que se acumularán en la pared de la cámara durante la operación. Para la clarificación son útiles tanto las centrífugas de cámara tubular como las de dis­ cos. De hecho, es posible llevar a cabo la se­ paración de líquidos inmiscibles y la clarifica­ ción en el mismo equipo. Para grandes volú­ menes de líquido que contengan una pequeña cantidad de sólidos de fácil sedimentación son más adecuadas las centrífugas de cámara sóli­ da. Éstas son cámaras cilindricas sencillas (0,6-1 m de diámetro) de operación disconti­ nua, durante la cual se forma una torta de só­ lidos en su pared. Para clarificar líquidos que tengan un mayor contenido en sólidos (hasta un 6% p/p) existen distintos tipos de centrífu­ gas que permiten una descarga continua o intermitente y, por lo tanto, son de operación continua. Se trata de las centrífugas de descar­ ga por boquilla (figura 12.13.a) y por válvula, tenieado estas últimas dispositivos de apertu­ ra automática. La clarificación se realiza con mucha fre­ cuencia en la Industria Alimentaria: en la in­ dustria láctea para la separación de leche, ma­ zada y suero; en el refinado del aceite para el desgomado; para la clarificación de zumos y vi­ nos; en cervecería para recuperación de leva­ duras y clarificación de la cerveza; para elimi­ nar el agua de los almidones de maíz, trigo y centeno, etc. Cuando el contenido en sólidos es mucho mayor (hasta un 50% de sólidos), o si éstos se­ dimentan muy rápidamente, se hace uso de las centrífugas de cámara y transportador (figura 12.13.b), en las que la cámara (0,15-137 m de diámetro; 1.600-8300 rpm) y un tomillo sinfín interior giran en la misma dirección. El tomillo al girar arrastra los sólidos, que se descargan por el extremo opuesto al de salida del líquido. El número de usos de este tipo de centrífugas ha aumentado mucho en los últimos años. Se utilizan para la recuperación de proteínas ani­ males y vegetales (caseínas y proteína de soja), la eliminación de lodos de aceites de pescado, la separación de grasa de carne picada, el des­ huesado de carne, la clarificación del sebo, la extracción de aceite de oliva, etc. Algunas centrífugas tienen un diseño espe­ cial para separar sólidos insolubles de líquidos mediante filtración. En estos equipos el flujo del filtrado se induce por fuerzas centrífugas. La materia prima consiste en una suspensión de partículas sólidas relativamente grandes o pro­ ductos cristalinos que forman tortas porosas a través de las cuales pasa el filtrado. Estas centrí­ fugas se utilizan para la recuperación, lavado y secado de cristales de azúcar, la separación de la pulpa y el zumo en frutas y la eliminación de cristales en la concentración por congelación. 12.8.4. Filtración La filtración separa sólidos de líquidos, ha­ ciendo pasar el fluido que contiene las partícu­ e) Centrifugo de descargo por boquilla Alimentación b) Centrifuga de cámara y transportador Tomilo sinfín Salida de liquido FIGURA 12.13. Esquema de: a) centrifuga de descarga por boquilla; y b) centrifuga de cámara y transportador. las en suspensión {papilla de alimentación) a través de un medio poroso {medio de filtra­ ción) (figura 12.14). El tamaño de poro del me­ dia de filtración ha de ser lo suficientemente pequeño para retener en su interior o en su su­ perficie las panículas sólidas {torta de filtra­ ción), pero lo suficientemente grande para de­ jar pasar a su través el líquido (filtrado). Dependiendo del caso, el producto deseado puede ser el filtrado, como en la clarificación de algunos zumos de frutas o de cerveza; la torta, en cuyo caso es necesario lavarla, secarla y se­ pararla del medio de filtración, como en la re­ cuperación de levaduras de los tanques de fer­ mentación; o ambos. La eliminación de partícu­ las muy finas (< 1 pm), microfiltración, requiere el uso de membranas con permeabilidad selecti­ va y se desarrolla en el siguiente apartado. En la filtración en superficie, los sólidos sus­ pendidos quedan retenidos en la superficie del medio filtrante (figura 12.14.a). El Sujo llega a detenerse cuando los sólidos cubren sus poros. e) FUmdón en superficie Filtrado b) Filtración en profundidad Modio da_ filtración ~ Papila da alimentación Filtrado FIGURA 12.14. Esquema de: a) filtración en superficie; y b) filtración en profundidad. Si los sólidos no se adhieren a esa superficie, los filtros se pueden regenerar mediante lava­ do en la dirección opuesta al Qujo. En cambio, en la filtración en profundidad los sólidos pe­ netran en el interior del medio filtrante, con el cual suelen interaccionar por atracción elec­ trostática (figura 12.14.b). En este caso los po­ sas llegan a obstruirse y el Qujo se detiene, mo­ mento en el cual es necesario cambiar ei filtro. Por lo tanto, este tipo de filtración no será ade­ cuado si la concentración de sólidos suspendi­ dos es muy elevada. Para vencer la resistencia que presenta el medio filtrante al paso del fluido, y la debida a los sólidos que se van acumulando progresiva­ mente en el medio de filtración, es necesario que opere alguna fuerza motriz. Ésta podría ser tan sólo la fuerza de la gravedad. Sin em­ bargo, no sería adecuado en la Industria Ali­ mentaria porque sólo serviría para papillas de alimentación con un contenido muy bajo de só­ lidos. Además, el flujo del filtrado llegaría a ser muy lento. Se emplea, en cambio, en el trata­ miento de aguas para suministro público y para el filtrado de aguas residuales. Para facilitar y aumentar la velocidad de fil­ tración se pueden emplear varias estrategias: ejercer sobre la papilla de alimentación una presión superior a la atmosférica (filtración a presión), crear vacío en el otro lado de la mem­ brana para favorecer el paso del filtrado (filtra­ ción a vacio) o aplicar fuerzas centrífugas (fil­ tración centrífuga). En la filtración en superficie, los medios de filtración tienen como principal función pro­ mover la formación de una torta de sólidos y conservarla una vez que se ha formado. Es de­ cir, no deben ofrecer una elevada resistencia al flujo, han de ser resistentes a las condiciones de la operación (presión o vacío), facilitar la extracción de la torta para su limpieza, estar fa­ bricados con materiales compatibles con los alimentos y no contener sustancias tóxicas. Uno de los parámetros más importantes de los medios de filtración es el tamaño de poro, que dependerá de cada caso concreto. En general, pueden ser rígidos (carbón poroso, porcelana, placas metálicas perforadas, rejillas de hilo, etc., en distintas configuraciones) o flexibles (polímeros sintéticos como nilón, polipropile­ no, polietileno, etc.). Cuando los sólidos son muy finos o generan tortas de filtración compresibles se utilizan co­ adyuvantes de filtración para evitar la obtura­ ción; son partículas sólidas grandes no compre­ sibles que forman una torta de filtración muy porosa sobre el medio filtrante, actuando real­ mente como el medio de filtración. Entre los mis frecuentes están la tierra de diatomeas y la perlita (un silicato cristalino). A) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Los filtros constan de un medio de filtra­ ción, un soporte mecánico para este medio, dis­ positivos para extraer la torta, conductos o ca­ nales para introducir la papilla de alimentación y para la salida del filtrado, tanques o depósi­ tos (para la papilla de alimentación, el filtrado y el líquido de lavado) y medios para producir el flujo del filtrado. Según estos medios, los fil­ tras pueden ser de dos tipos básicos: filtros de presión y filtros de vado. En los filtros de presión, ¿sta se consigue con bombas centrífugas que generan presiones entre 276 y 621 kPa. Uno de los tipos más habi­ tuales es el ftltro prensa o de presión de placa vertical (figura 12.1S.a). Tienen como elemento básico unas placas acanaladas verticales en las que se dispone el medio de filtración (tela o papel) y marcos huecos, adosados hermética­ mente. La papilla de alimentación pasa al cen­ tro del marco, quedando los sólidos retenidos en el medio de filtración y pasando el filtrado a través de este medio hada la placa acanalada, desde donde sale al exterior. Este equipo tiene un coste bajo, es bastante flexible y de fácil mantenimiento, pero requiere mucha mano de obra. Tiene su principal aplicación en la pro­ ducción de zumo de manzana y sidra. Los filtros de vacio son de mayor coste y la máxima diferencia de presión que alcanzan es de 100 kPa. Permiten la operación en continuo porque la torta se encuentra a presión atmosfé­ rica y se elimina con más facilidad, a diferencia de los anteriores. No son adecuados para el procesado de materiales volátiles o calientes. Los más comunes son los filtros de vacío de tambor rotatorio (figura 12.15.b). Consisten en un cilindro giratorio que está dividido interna- FiGUía 12.15. Principales equipos empleados paro la Filtración en la Industria Alimentaria: a) filtro de presión de placa vertical; y b) filtra de vacio de tambor rotatorio; V: sección con vacio; P: sección con presión. mente en secciones y rodeado completamente de medio de filtración. Cuando una sección es­ tá sumergida en el líquido de alimentación, se aplica vacio y el filtrado pasa a través del me­ dio de filtración hacia el eje central del tambor. Al salir del tanque y mantenerse el vacío, la torta queda libre de filtrado. Antes de introdu­ cirse de nuevo en el tanque, el compartimento se desconecta de la bomba de vacío y se lanza un chorro de aire comprimido para liberar la torta. Ésta se separa completamente por medio de una cuchilla rascadora, antes de volver a ini­ ciar el ciclo. Los filtros de vacío se emplean para la recu­ peración de los precipitados de lactalbúmina y de jugo de caña durante su extracción, el refi­ nado de aceites, la filtración dé. suspensiones de gluten y almidón y la clarificación de diver­ sos alimentos líquidos (cerveza, zumos de fru­ tas, vinagre, extractos de carne y levadura, aceites de mesa, salmueras, etc.). 12.8.5. Prensado o estrujamiento El prensado o estrujamiento consiste en la separación de líquidos que están contenidos en productos sólidos, mediante fuerzas de com­ presión. Se utiliza para la obtención de aceites y zumos de frutas que se encuentran en estruc­ turas celulares y que es necesario romper para la liberación de los compuestos de interés. Para aumentar el rendimiento, a menudo se combi­ na con una operación de reducción de tamaño o un ligero calentamiento. En algunos casos el residuo sólido de la operación tiene interés pa­ ra uso en alimentación animal o para la obten­ ción de proteína que puede ser utilizada como suplemento nutritivo en alimentación human* (por ejemplo, proteína de soja). En este último caso es crítico evitar la desnaturalización de las proteínas, por lo que el prensado es una alter­ nativa adecuada a los métodos tradicionales de extracción de aceites con disolventes. Además, se evita el peligro que supone la presencia de estos disolventes en el residuo sólido. Las prensas de operación discontinua, que son básicamente prensas hidráulicas, se utilizan en la elaboración de quesos, para el desuerado de la cuajada en las cubas o en los moldes y en el procesado de zumos de frutas. En la actuali­ dad, y en algunos casos, han sido sustituidas por otras de funcionamiento continuo, en las que se reducen considerablemente los elevados costes asociados con la mano de obra. Entre estas últimas cabe destacar la prensa de rodillos, en la que el producto se somete a grandes fuerzas de compresión al pasar entre dos pesados rodillos, muy frecuentes en la ex­ tracción de jugo de la caña de azúcar. Las pren­ sas de tomillo, también conocidas como expul­ sores, consisten en robustos cilindros metálicos con un tomillo helicoidal de acero en su inte­ rior. Este tomillo tiene un paso de rosca decre­ ciente, aumentando progresivamente la com­ presión sobre la torta e incrementando el ren­ dimiento. Son útiles para la obtención de aceites porque el calor generado reduce su vis­ cosidad. Para materiales sensibles al calor, co­ mo los zumos de frutas, pueden estar refrigera­ dos internamente. 12.8. ó. Separación con membranas Las operaciones de separación con membra­ na sirven para concentrar o fraccionar un líqui­ do, obteniéndose dos soluciones de distinta composición. Se basan en la permeabilidad se­ lectiva, a través de una membrana, de uno o más de ios constituyentes. Las moléculas de ta­ maño inferior al del poro de la membrana pa­ san a su través, mientras que las de tamaño su­ perior quedan retenidas por efecto tamiz o por fuerzas repulsivas de la superficie de la mem­ brana. La alimentación se separa, por lo tanto, en dos corrientes: el fluido que atraviesa la membrana, denominado filtrado o perneado, y el que permanece en el lado de la alimentación o concentrado (también llamado retentato o re­ tenido), que contiene los solutos o sólidos sus­ pendidos que han sido rechazados por la mem­ brana (figura 12.16.a). Se incluyen aquí un conjunto de métodos de separación relativamente nuevos que tienen cada vez mayor aceptación en la Industria Ali­ mentaria porque permiten realizar, al mismo tiempo, la concentración, el fraccionamiento y la purificación de diversos productos. Las principales ventajas de la separación con membranas respecto a otros métodos con­ vencionales son: a) Para la concentración no se requiere un cambio de fase del agua, a diferencia de •) \ Flujopetpendteular O » Q o o o 9 : o O Concentrado Polarización por corcentradón Merrbrana o % o o 0 Pern eado o 0 o (futrido) “ 0 0 t» r \ n 0 C) F,ui°{ J 0 q\J q tangencial 0 “ 0 .»0 0 o ° ” " ™ " i V mDI 0 3> °0 0 Perneado o . o o o o o (filtrado) Figura 1 2.1 ó. Esquema de la leparación con mem­ branas: a| convendonal, con Rujo perpendicular; y b) con flujo langendal. la evaporación o la concentración por congelación. Por lo tanto, el gasto ener­ gético de operadón es menor. b) La modificación organoléptica y nutriti­ va de los productos es mínima, porque no se aplica calor, lo que se traduce en productos de gran calidad. c) Son de fácil instalación y operación. Entre las principales desventajas pueden ci­ tarse la limitación en cuanto a la materia a tra­ tar, que debe ser una solución diluida con un bajo contenido en sólidos, y en cuanto al grado de concentración alcanzado, ya que no pueden obtenerse productos completamente secos. Además, tienen un mayor coste capital y varia­ ciones en la velocidad del flujo. Los mecanismos que gobiernan el transporte de masa en este tipo de separación son complejos y dependen del tipo de membrana (tamaño me­ dio y rango de distribución del tamaño de poro, espesor, composición e interacción química con el líquido de alimentación), la presión, la tem­ peratura y la velocidad de flujo de la alimenta­ ción. Para establecer el flujo a través de la mem­ brana, e incluso a través de la capa de material que se deposita sobre la membrana durante la fil­ tración, es necesario ejercer una presión. En al­ gunos casos existen fuerzas adicionales que favo­ reced el flujo, derivadas de los gradientes de con­ centración o gradientes de potencial eléctrico. Entre (as principales operaciones de separa­ ción con membrana, atendiendo al tamaño y peso molecular de los compuestos separados (figura 12.17), y teniendo en cuenta que no es posible hacer divisiones tajantes entre ellos, pueden citarse: a) La microfiltración (MF) implica el uso de membranas con un tamaño de poro de 0,2-10 pm. Separa selectivamente partículas con peso molecular superior a 200 icDa, es decir, bacterias, mohos, le­ vaduras. grasa emulsionada o almidón. La presión aplicada es relativamente ba­ ja y los flujos son altos. b) La ultrafUtración (UF) requiere membra­ nas con un tamaño de poro inferior (1 nm-0,2 pm). Permite separar partículas y moléculas en el rango de 1-200 IcDa (pro­ teínas, ivirus, coloides, polisacáridos), operando a una presión de < 1.000 IcPa (figura 12.18.a). c) La nanofiltración (NF) separa partículas con pesos moleculares en el rango de (nm) 10.000 5.000 2.000 1.000 500 200 100 50 20 10 f l f 111 I * * f t: . Eritrocito ■ Céfcria cancerosa • Saccharomycas Staphytococcus ■ Clostridkim sp. — S/vgeffa — Hemoglobina — Virus de la poto — Hemoglobina — Pepsina . Vitamina 8 I2 . Sacarosa ú - Na*. OH'Zn2*HjO.CT FlGURA 12.17. Esquema de las principales operaciones de separación por membrana según al ■amaño da partícula. 300*1.000 Da, permitiendo eliminar iones d) La ósmosis inversa (OI) o hiperfiltración dependiendo de su carga y sus caracterís- retiene moléculas con un tamaño infe- ticas de difusión. rior a 1 om (unos 100 Da). Las presiones a) Uttrefíttmdón a& osfén om«Mn - Presión P nM n * atmosférica Membrana \ Macresoiutos ■° MaosoMos -o y . disolvente b) Ósmosis inversa Presión jtmosléfica Presión > Membrana \ Presión atmosférica :0 .¿1-0 Macro solutos Microsotutos Disolvente Figura 12.18. Esquema de la separación p o r a) ultra filtración; y bj osmosis inversa. empleadas, 3-10 veces superiores a las de la ultrafiltración, son necesarias para su­ perar el aumento de la presión osmótica en el concentrado. Las moléculas de agua pasan de una solución concentrada (alimentación) a una solución diluida (permeado) (figura 12.l8.b). e) La d ia filtra c ió n (DF) tiene como propó­ sito mejorar la recuperación de solutos permeables en la ultrafiltración o la mi- crofiltración. Consiste básicamente en diluir el concentrado, generalmente con agua, mientras se efectúa la separación y proseguir hasta lograr una eliminación satisfactoria del soluto. En la microfiltración y la ultrafiltración se usan membranas que separan los distintos so- lucos basándose en un simple mecanismo de ta­ miz, según su tamaño de poro. La relación exis­ tente entre tas dimensiones de la-partícula y la distribución del tamaño de poro de la membra­ na determina si esa panícula la atraviesa o no. La ósmosis inversa y la pervaporadón pue­ den separar espedes moleculares con un tama­ ño comparable, como por ejemplo, agua y clo­ ruro sódico; la separadón se debe a un meca­ nismo distinto al de la simple filtración. En estos casos es fundamental la afinidad entre la membrana y el soluto, actuando la membrana como un medio de extracción del soluto: los compuestos con mayor afinidad por el material de la membrana se disuelven más fácilmente en ella que otros componentes. La fuerza con­ ductora de la separación es la diferencia entre los coeficientes de difusión de los distintos so­ lutos a través de la membrana. La diálisis consiste simplemente en la difu­ sión de un soluto a través de una membrana,' siendo la fuerza conductora el gradiente de concentración. También utiliza membranas se­ mipermeables, aunque, a diferencia de los ante­ riores, no requiere presión. La electrodiálisis, que tiene un interés creciente, se basa en el em­ pleo de membranas con carga eléctrica (de in­ tercambio iónico) en tas que la migración de so­ lutos a través de ellas se acelera con un campo eléctrico (figura 12.19). Estas membranas de intercambio aniónico y catiónico para la elec­ trodiálisis tienen un tamaño de poro muy pe­ queño (1-2 nm); algunas discriminan, incluso, entre iones mono- y polivalentes. La pervaporación es otra operación de se­ paración con membrana en la que una mezcla líquida se separa (a través de una membrana permeable no porosa), por evaporación parcial de un compuesto, obteniéndose un concentra­ do líquido y un permeado en estado de vapor (figura 12.20). La fuerza conductora para la se­ paración es el gradiente del potencial químico que se establece al existir una diferencia en la presión parcial del soluto a través de la mem­ brana. Esta diferencia en la presión parcial a ambos lados de la membrana se consigue redu­ ciendo la presión total en el lado del permeado mediante un condensador y una bomba de va­ cío o por arrastre con un gas inerte. Uno de los principales problemas que exis­ ten en la separación con membranas es la re­ ducción del flujo, como resultado de distintos FiGUKA 12.19. Esquema de uno unidad de electrodiálisis. A, membrana de inter­ cambio aniónico; B. membrana de intercambio catiónico; A*, anión; C*, catión. Figura 12.20. Esquerra de la pervaporación: a} a vacío; y b) por arrastre con un gas inerte. 'enómenos entre los que pueden citarse la .ompactación de las membranas, la polariza- ión por concentración y el embotamiento. D urante ía filtración, a nivel molecular, umenta la concentración de solutos y molécu- is retenidas en la proximidad de la membrana ;apa polarizada). Esto es lo que se conoce co- i.o polarización por concentración (figura 1.16.a). Tiene como consecuencia una rápida reducción de la velocidad del flujo, porque esta capa supone una resistencia adicional al flujo del soluto a través de la membrana por aumen­ to de la viscosidad y de la presión osmótica. La concentración de solutos, especialmente de proteínas, en la proximidad de la membrana puede alcanzar valores tan elevados que se lle­ ga a formar una capa de ge!, fenómeno que se denomina embotamiento. Este embotamiento e) Homogénea o mknpotosa b) Heterogénea o asimétrica Matarla! con panmeabiBdíd sal activa/éWÉZM *; i**:*» V¿, a mi J ^ v /. & » n a A • a n a a i U n « / 0.1 -1.5 pm 0,1 - 0.2 mm • a M o « . t » • » « > « IJo a < • “"•‘ • i ’**!» ' ' • v ' H ,*y Sopona mecánico Figura 12.21. Tipos de membrana según su morfo logia: a) homogénea o micrcporcsa; y b) heterogé­ neo o asimétrica. también puede deberse a la adsorción de pro­ teínas y consiguiente bloqueo de los poros. El problema puede empeorar si los gele:. son com­ presibles y se incrementa la presión con el pro­ pósito de aumentar el flujo. Mientras que la polarización por concentración suele ser rever­ sible, el embotamiento es irreversible. Aunque estos fenómenos son inevitables, sus efectos se pueden reducir notablemente va­ riando la configuración y el diseño de las mem­ branas, la-dinámica del fluido (favoreciendo un flujo turbulento, por ejemplo, disminuye el es­ pesor de la capa polarizada) e introduciendo espaciadores o estructuras abiertas que sepa­ ren las membranas en los módulos. El desarro­ llo de sistemas de flujo tangencial (figura 12.16.b) hizo posible la implantación industrial a gran escala de estas operaciones de membra­ na en los años setenta. En la filtración con flujo tangencial, la alimentación fluye a más veloci­ dad y paralelamente a la membrana, reducien­ do o impidiendo en gran medida la acumula­ ción de solutos o partículas en su superficie. Generalmente se combina con lavados periódi­ cos, inviniendo la dirección del flujo, con lo cual las partículas más fuertemente adheridas se separan de la superficie de la membrana. Las membranas se pueden considerar como barreras imperfectas que controlan el transporte de materia entre dos fases o sistemas. Las pro­ piedades de las membranas que determinan la separación que tendrá lugar son: su capacidad de transferencia de masa, su permeabilidad o velocidad de transporte de un compuesto a su través y su selectividad para discriminar diferen­ tes panículas o moléculas. En cuanto a su morfología, pueden ser ho­ mogéneas y heterogéneas (figura 12.21). Las membranas homogéneos o asicropotoaes '.icncci la misma composición en todo su espesor y po­ ros de tamaño uniforme que la atraviesan com­ pletamente. Las membranas heterogéneas o asi­ métricas están compuestas de una fiaa capa (0,1-1,5 pm) de un material potimérico denso con permeabilidad selectiva, que es donde real­ mente se efectúa la separación; esta capa está fijada a un sopone mecánico muy poroso, con un espesor total de 0,1 -0,2 mm. Respecto a los materiales, tas primeras membranas de acetato de celulosa dieron paso rápidamente a las de polisulfona, por su mayor estabilidad química y térmica y resistencia me­ cánica. Actualmente se fabrican a partir de po­ límeros orgánicos (poliamidas, poliestireno, poiiéteres, policarbonato, etc.), cerámicas o mi­ nerales depositados en un soporte cerámico o inerte (carbida de silicona, óxido de aluminio, óxido de zirconio, grafito o acero inoxidable). Estos materiales amplían las posibilidades de aplicación de la separación por membranas, al ser esterilizables con vapor de agua, tolerar un amplio rango de pH y temperaturas y poseer una resistencia mecánica considerable. Este último es un requerimiento importante para aquellas membranas que van a ser sometidas a elevada presión. También hay que tener en cuenta que en la Industria Alimentaria las membranas han de soportar las operaciones de limpieza y desinfección. A) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Existen diferentes configuraciones para contener y dar soporte a las membranas (figura 12.22): 1. Elementos tubulares Consisten en cilindros metálicos perforados (13-25 mm de diámetro, 1,5-6 m de longitud) re­ cubiertos internamente por la membrana y con- terddos, a su vez, en una carcasa metálica de ma­ yor tamaño (de forma similar a un intercambia­ dor de calor de tubos) (figura 12.22.a). El líquido de alimentación pasa por el interior de los nabos recubiertos por membrana, saliendo el filtrado radialmente al espacio entre los tubos y de ahí, por un conducto común, al exterior. 2. Placas y marcos Están compuestos de membranas de lámina plana empaquetadas de forma alterna con pla­ cas porosas de soporte que proporcionan una separación de 0,5-1 mm (figura 12.22.b). La ali­ mentación se divide para fluir en serie por el es­ pado existente entre las membranas. El pertnea- do fluye por los canales de drenaje a los conduc­ tos de salida de las placas de soporte. 3. Cartuchos espirales Son una variación de los anteriores, en los que las hojas de membrana están enrolladas en espiral (figura 12.22.c). La configuración más habitual en la industria es la disposición de va­ rias capas de membrana, material de soporte y material espaciador alrededor de un tubo per­ forado, doade se recoge el permeado, estando todo ello en el interior de una carcasa. El líqui­ do de alimentación entra en el cartucho y fluye tangencialmente a lo largo de la membrana. El permeado pasa al tubo central, descargándose en el otro extremo. Los espaciadores favorecen el flujo turbulento. 4. Fibra hueca Consisten en cartuchos que contienen cien­ tos de fibras de pequeño diámetro dispuestos longitudinalmente (figura 12.22.d). Se consigue así una gran superficie de membrana en un pe­ queño volumen. Para la microfiltración y la ultrafiltración, el diámetro de las fibras es de 0,5-1 mm; el líquido de alimentación fluye por el interior de las fibras y el permeado sale al exterior. Para la ósmosis inversa, su aplicación más importante, las fibras son incluso más del­ gadas (40 pm) y la alimentación fluye por el ex­ terior de las fibras, recogiéndose el permeado de su interior. Esta última configuración tiene un alto riesgo de embotamiento. 5. Cartuchos plegados Son útiles para disoluciones con una baja concentración de solutos (figura 12.22.e). Se trata de una membrana plana que simplemente está plegada para aumentar su área y dispuesta alrededor de un tubo hueco poroso. Todos estos sistemas, aunque con diferente configuración, son muy similares en cuanto a funcionamiento. El líquido de alimentación, procedente de un tanque de almacenamiento, es impulsado a presión mediante una bomba a un número adecuado de módulos de membra­ na para obtener la separación deseada. A un­ que los sistemas podrían ser de un solo paso, la superficie de membrana necesaria para que tuviese lugar la separación sería muy grande. Para reducir el área de membrana es corriente implantar sistemas de recirculación, hasta ob­ tener la concentración deseada, o varias e ta­ pas de separación. En común con todos los equipos de procesado de alimentos, se requie- Entrad» de liquido Entrada da líquido Saldada T Saldada concentrado saüda da concentrado permeado .Saldada permeado ' Espadador -Membrana - Colector del permeado -Membrana -Espaciador -Cubierta Entrada de liquido FlGUJtA 12.22. Configuraciones de ios membranas empleadas en la Industria Alimentaría: a) elementos tubulares; b) placas y marcas; c) cariucho espiral; d| fibra hueca; y e] cartu­ chos plegados. re un diseño higiénico y la posibilidad de lim­ pieza in si tu. La industria donde las operaciones de sepa­ ración con membrana están más arraigadas es la láctea, porque permiten procesar y aprove­ char dos subproductos que se generan en gran­ des cantidades: el suero de quesería y la leche desnatada. El primero normalmente se dese­ chaba, a pesar de la contaminación que ello su­ pone, mientras que el segundo se utilizaba para alimentación animal o para obtener leche en polvo desnatada (por evaporación y deshidra- tación) para la elaboración de helados, produc­ tos de confitería, etc. A continuación se describen los principales usos de la separación por membrana en la in­ dustria láctea: a) La microfiltración permite eliminar las células somáticas y reducir sustancial­ mente la carga de microorganismos. Sin embargo, no se puede considerar una alternativa muy eficaz a la pasteriza­ ción. b) La ultrafiltración se emplea principal­ mente para: concentrar leche entera o desnatada destinada a la elaboración de queso, incorporando asi a la cuajada pro­ teínas del suero, minerales y vitaminas, que habitualmente se pierden; fraccionar y concentrar el suero de quesería, obte­ niéndose concentrados de proteína de suero con 35-8G% de proteína, con pro­ piedades funcionales adecuadas para muy diversas aplicaciones; o eliminar se­ lectivamente sales y lactosa. c) La ósmosis inversa tiene una utilidad más limitada, destacando ia concentración de leche entera o desnatada, antes de la eva­ poración o de la fermentación para obte­ ner queso y yogur, y de mazada así como la desmineralización y la recuperación de lactosa del suero de quesería. d ) La nanofiltración permite la separación y concentración simultánea de minerales y ácidos del suero. e) La electrodiálisis también es útil para la desmineralización de suero, suponiendo una ventaja frente a la ósmosis inversa por­ que no modifica su color, sabor y aroma. En el cuadro 12.3 se muestran diversas apli­ caciones de las operaciones de separación con membranas en otro tipo de industrias. Otro área donde tienen gran importancia es en el de la biotecnología, para la purificación de enzi­ mas extraídas de tejidos animales o vegetales y de microorganismos, la recuperación de micro­ organismos, la separación y concentración de los productos de las fermentaciones y de las reacciones enzimáticas (vinagre, goma xanta- no, etc.). Las membranas también sirven de so­ porte para enzimas y células inmovilizadas. Cabe destacar que el uso de las membranas en el procesado de los alimentos está aumen­ tando notablemente. Las primeras aplicacio­ nes, relativamente sencillas, como la esteriliza­ ción en frío y la filtración de medios de fer­ mentación, están dando paso a otras mucho más complejas que requieren el desarrollo es­ pecífico de membranas y de procesos en fun­ ción del producto que se quiera obtener. CllAOtO 12.3. Otra» aplicación»» d» toi operocion»» da separación con membranas »n el procesado de alimento». Aplicación Producto» típicos Tipo de separación "Sverilicacián en frío" Cerveza, vino MF Q arilicoaón Vino, cerveza, zumos de (rula M f.UF Concentración Proteínas (mero de que serial, zumos da fruto UF, OI {a menudo combinados) Reducción del contenido Cerveza, vino PV de alcohol fraccionamiento Proteínas (de huevo, da tuero de quesería, de sangra) Carbohidratos UF Recuperación de producto» Acido» láctico y cítrico, vinagre, enzimas, compuesto» aromáticos y tapiaos UF, ED. PV. OI Desalineación Aguas, tuero da quesería OI, ED. NF • 6D- «leo odtálim; Mf: microifcnxión: Nf: nanoAUracMn; O t ávnoui ¡mena; PV perraperocMn; UF: «eaSkeóón. Ama*; Cupwu* y Nijhuü (1993). ¡2.8.7. Extracción La extracción se define como la operación unitaria por la cual un componente de un ali­ mento se separa o elimina mediante el contac­ to con otro material o fase, que tiene mayor afinidad por él; el resto de los componentes, en cambio, permanecen en el alimento. Esta sepa­ ración implica, por lo tanto, la existencia de dos fases, siendo el disolvente aquella que se añade al material original. Las dos fases pue­ den ser un sólido y un líquido, dos líquidos in­ miscibles o un sólido o líquido y un gas; ésta es. además, la base de la clasificación de las opera­ ciones de extracción. La extracción requiere tres pasos sucesi­ vos: la mezcla de la materia prima con el di­ solvente, la separación de las dos fases des­ pués del contacto y la eliminación del soluto contenido en el disolvente. La eficacia de la recuperación del disolvente, si su coste es ele­ vado. determinará la viabilidad económica de la operación. En la extracción se han de considerar los si­ guientes fenómenos físicos: a) La difusión del compuesto de interés des­ de el interior de la materia prima hasta su superficie y, de aquí, hacia el grueso de la fase del disolvente. Para ello es necesario que, previamente, el disolvente penetre en el interior de la materia prima para arrastrar dicho componente. Su veloci­ dad de difusión determinará el tiempo necesario para que se alcance el equili­ brio entre tas dos fases. b) La solubilidad del soluto que se desea extraer en el disolvente utilizado. Oado que Ja máxima concentración pasible ea el extracto final es (a de saturación del soluto, cuanto mayor sea ésta me­ nor será el número de ciclos necesarios para lograr el grado de separación de­ seado. c) El equilibrio de la concentración del so­ luto en la materia prima y en el disolven­ te, que requiere c ue ambos contacten durante un tiempo adecuado. El principal factor que controla la extrac­ ción es la velocidad a la que un componente (soluto) se transfiere desde la fase tratada (ma­ teria prima sólida o líquida) a la fase disolven­ te. Esta velocidad depende del coeficiente de transferencia de masa, el cual varia con las con­ diciones de operación, asi' como con las propie­ dades de la materia prima, del soluto en cues­ tión y del disolvente. Otros factores que afectan a la velocidad de extracción son: a) El área de exposición o grado de contac­ to de la materia prima con el disolvente y la profundidad d i penetración de este último. La reducción del tamaño de par­ tícula facilita la ex.racción, al aumentar el área de exposición y disminuir la dis­ tancia que el soluto ha de migrar desde la materia prima hasta ponerse en con­ tacto con el disolvente. El tamaño de partícula ha de controlarse para que el flujo en el extractor no se reduzca en ex­ ceso. b) El gradiente de concentración del soluto entre la materia prima y el disolvente, que es la fuerza conductora de la extracción. c) La temperatura a la que se realiza la ope­ ración. En general, al aumentar la tem­ peratura se facilita la operación. d) La velocidad y las características del flujo del disolvente. Para mejorar la extracción conviene aumentar la velocidad de flujo del disolvente y que éste sea turbulento. Los disolventes de interés para la Industria Alimentaria han de carecer de toxicidad y te­ ner un elevado coeficiente de distribución, una elevada selectividad por los solutos y una baja miscibilidad con la materia prima. Deben, ade­ más, ser inertes y estables, no inflamables ni explosivos, baratos y no perjudicar el medio ambiente. La extracción más simple es la que se lleva a cabo en una etapa o contacto. Una etapa es una unidad del equipo en la que una o más fases se ponen en contacto, se mantienen así durante un período de tiempo en el que se produce la transferencia de masa de una fase a otra hasta alcanzar un estado de equilibrio (no necesaria­ mente termodinámico) y se separan mecáni­ camente (figura 12.23.a). Un ejemplo de ex­ tracción en contacto único es la descafeiniza- ción con agua de los granos crudos de café. Para facilitar la separación de un determi­ nado componente pueden emplearse contactos múltiples, repitiendo la operación y añadiendo disolvente libre de soluto en cada etapa. Sin embargo, esto requeriría un gran volumen de disolvente y no sería práctico a nivel industrial. Un procedimiento alternativo es un sistema de contactos múltiples en contracorriente (figura 12.23.b). En este caso también se necesita una batería de extractores, pero el disolvente puro entra en el sistema por el extremo opuesto al punto de entrada de los solutos sin extraer. Es decir, contacta con estos solutos en la última etapa de extracción, donde su concentración es mínima. En cambio, el disolvente enriquecido en soluto (extracto final) abandona él sistema en la primera etapa de extracción, después de contactar con la materia prima que acaba de en­ trar en el sistema, donde la concentración de solutos es máxima. El mismo disolvente pasa de una etapa a otra, aumentando progresiva­ mente en él la concentración del soluto desea­ do, al tiempo que la de la materia prima dismi­ nuye en la dirección opuesta. A) Extracción sólido-liquido (lixiviación, lavado) En esta extracción, un componente soluble contenido en un sólido se separa mediante un disolvente en estado líquido. Este disolvente, al ponerse en contacto con el material sólido, se enriquece en el soluto deseado. El producto de interés puede ser el soluto separado, denominándose entonces lixiviación-, por ejemplo, en la extracción de aceites vegeta- ») Una etapa o contacto de extracción Alimento Disolvente Unidad Refinado Extracto Refinado = Alimento - Componente extraído Extracto * Disolvente +• Componente extraído b) Sistema de contactos múltiples en contracorriente Alimento Extracto, Refinado 1 >~ ^ Unidad Refinado-i Unidad Unidad 1 x Extracto-. Extracto i Refinado,. — ► Oí solvente FIGURA 12.23. Diagramas de: a) uno etapa o contacto de extracción; y b) un sistema de contactos múltiples en contracorriente. les o d :l azúcar de la remolacha. Cuando lo que interesa es la materia prima de la cual se han extraído componentes no deseados, se ha­ bla de ¡avado-, por ejemplo, en la descafeiniza- dón del café. En algunas ocasiones se persigue la obtención de varias fracdones. Éste es el ca­ so de la extracción de aceites de pescado, don­ de coa disolventes apolares se obtiene aceite refinado de pescado y con soludones acuosas, concentrados proteicos. En el lavado es necesario eliminar el disol­ vente residual que queda en los poros del pro­ ducto, habitualmente por evaporadón. La legis- ladón establece los máximos niveles residuales permitidos del disolvente en los alimentos. Entre los disolventes más frecuentes en la Industria Alimentaría para este tipo de extrac­ ción se encuentran, junto con el agua y los acei­ t o comestibles, algunos compuestos orgánicos como hexano, heptano, diclorometano, éter, doroformo, benceno y etanol. B) Extracción liquido-líquido Este tipo de extracción es esencialmente idéntico a la lixiviadón, excepto que el alimen­ to, el disolvente y el soluto se encuentran en estado líquido. C) Extracción con fase de vapor La principal ventaja del vapor frente a un disolvente líquido es su mayor penetración en la materia prima, por su baja viscosidad. Es de­ cir, el área efectiva de contacto es mucho ma­ yor. La capaddad de solubilizadón de un com­ puesto en fase vapor es inferior a la que tiene en fase líquida. Sin embargo, la difusión de moléculas de pequeño tamaño a una fase vapor es mucho mayor que a una fase líquida. El re­ sultado neto es una mejor extracción. La ex­ tracción con vapor de agua se aplica, tanto a muestras sólidas como líquidas, para la elimi­ nación completa de materiales volátiles. D) Extracción con fluidos supercríticos La extracdón con fluidos supercríticos. de desarrollo relativamente redente, se puede de­ finir como la operadón unitaria que utiliza el poder disolvente de determinados fluidos a una temperatura y presiones superiores a sus valo­ res críticos (figura 12.24). Es válida unto para alimentos sólidos como líquidos. La peculiari­ dad de este tipo de extracción es que el disol­ vente cambia de esudo durante la operadón. Estos disolventes, que en condiciones nor­ males de presión y temperatura son gases, se transforman en fluidos supercríticos al ser ca- lenudos por endma de su temperatura crítica y comprimidos más allá de su presión crítica. En estas condidones supercríticas, tienen un esta­ do de agregadón en el que no es posible distin­ guir si se encuentran en fase líquida o gaseosa. De hecho, sus características son muy peculia­ res e intermedias entre las del líquido y el gas (cuadro 12.4), como: 1. Una densidad elevada (a alta presión), similar a la fase líquida. Por ello, actúan como excelentes disolventes líquidos; cuanto mayor es la presión, más aumen­ ta su capaddad disolvente. 2. Una alta difusividad, una viscosidad rela­ tivamente baja y ausencia de tensión su­ perficial, semejante a las propiedades del gas. Esto les confiere un excelente poder de penetración y de mezcla, así como una gran velocidad de transferencia de masa. Una vez efectuada la extracción, los com­ puestos extraídos se pueden separar fádlmente del fluido supercrítico con tan sólo disminuir la presión y. por lo tanto, su densidad. Al dismi­ nuir su densidad, también lo hace su capacidad como disolvente y los solutos, que habían sido solubilizados a densidades más altas, precipitan. La efectividad de la extracción con fluidos supercríticos deriva precisamente de los gran­ des cambios que experimenta en ellos la solu- FtGURA 12.24, Diagrama de fase» (presión-temperatura) de una sustancia pura. Pc y Te presión y temperatura críticas, respectivamente. A —> B -» C, es ¡a sucesión de lastransformaciones del disolvente durante la extracción. CuaOSO i 2.4. Rango de valores de algunas propiedades tísicos de los disolventes empleados en las operaciones de extracción. Presión* Tempera furo tete del diiolvant* G as lO l.lk P a I5-30*C Supwcribca ?.• 4P; V r. líquida 101,3 ItPa t M o r P*OP!£DAO Difwividcd II-4| 7 2 (0.2-2) x 1CH x I0-» x 10-» x 10-* Densidad 10,0-2} 12-51 |4-9| (I.ÓO) 1*9 m Jl x l x l0 > x IO 1 x 10a Viteotidad 11-31 (1-31 |3-»l (0.2-3) (MPa i» x t0~* x J0-* x 10-* x I0-J * Pf - Presión critica; Tt » Temperatura critica. fuente: Adaptado de Balaban y Crien (1991}. bilidad de diversos compuestos, al modificarse su densidad. Esta última depende, a su vez, de la temperatura y presión aplicadas. Además, cuando las condiciones de presión se aproxi­ man a la presión crítica, aumenta su selectivi­ dad. La solubilidad de solutos que tienen una estructura química similar es variable y depen­ de de su peso molecular. El dióxido de carbono, que tiene condicio­ nes supercríticas a 3 1 8C y 7,38 MPa, es el más empleado p a n la extracción supercritica en la Industria Alimentaria por diversos motivos: 1. Muestra propiedades supercríticas en condiciones suaves de presión y tempera­ tura, siendo muy adecuado para solutos sensibles al calor. Además, a presión at­ mosférica es un gas y escapa a la atmósfe­ ra, sin dejar residuos en el alimento. 2. Es inerte con respecto .i la materia pri­ ma, evitándose el riesgo de reaccioaes laterales (por ejemplo, oxidaciones), y para el hombre. 3. N'o es tóxico. 4. Tiene una polaridad ba a y similar a la del pentano y hexano, disolventes comu­ nes en las extracciones líquidas. Es decir, puede sustituirlos al extraer compuestos similares. 3. Permite una separación fraccionada. Simplemente eligiendo las condiciones de presión y temperatura más adecuadas en distintos extractores secuenciales se pueden fraccionar por separado distin­ tos compuestos. Además, se pueden añadir pequeñas cantic ades de otros compuestos, denominados codisolventes (metano!, acetona), para modificar la so­ lubilidad y selectividad del dióxido de carbono. 6. No es inflamable ni corrosivo. 7. Es barato y fácilmente disponible. E) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria En la extracción sólido-líquido, en general, los sólidos a tratar están groseramente dividi­ dos y rara vez se requiere un movimiento enér­ gico de los mismos. El equipo más común son los tanques de lecho estático (de contacto sim­ ple o múltiple) y los extractores continuos de le­ cho móvil. Los extractores de contacto simple (o de una etapa) son los más sencillos y tienen un funcio­ namiento discontinuo. Consisten en un tanque abierto con un falso doble fondo, donde se de­ positan los sólidos a extraer (figura 12.2S). El disolvente se distribuye por aspersión sobre la superficie de la masa de sólidos y cae a su tra­ vés por gravedad. El disolvente con el com­ puesto extraído se retira del doble fondo. Si se trata de disolventes volátiles es posible incor­ porar un sistema para su recuperación y reci­ clado. El residuo sólido se saca manualmente o por vertido a través de la salida que se encuen- FiGUKA 12.25. Extractor de contacto simple, con sistema para el reciclado del disolvente. tn en el lateral del tanque. Estas unidades son típicas en las plantas piloto o en operaciones comerciales a pequeña escala. No tienen gran difusión porque el extracto obtenido no es muy concentrado y la recuperación de los solutos es muy costosa. Los extractores de varias etapas con lecho estático combinan varias unidades del tipo an­ terior conectadas en serie, de tal forma que ca­ da unidad contiene una carga de sólidos, en la que se introduce por su parte superior el disol­ vente con soluto procedente de la unidad ante­ rior adyacente. Aunque el sólido no se mueve físicamente de un tanque a otro, se obtiene un efecto en contracorriente por el movimiento del disolvente de una unidad a otra. Las unida­ des se desconectan o aíslan del circuito progre­ sivamente para ser vaciadas, limpiadas y carga­ das con nueva materia prima. El número de unidades en el circuito puede oscilar entre 3 y 14, pudiendo tener cada una de ellas una capa­ cidad de hasta 10 toneladas. Hay, además, muchos diseños de extracto­ res continuos de lecho móvil dependiendo de cada aplicación, aunque la mayoría operan en contracorriente. En el difusor mostrado en la figura 12.26, el material es transportado por dos tomillos sinñn en el interior de uu cilindro metálico donde el disolvente caliente circula en contracorriente. El líquido extraído sale por el mismo extremo por donde entra el producto a tratar. El material sólido agotado es prensado y el disolvente recuperado se calienta antes de ser introducido de nuevo al extractor. En la Industria Alimentaria las principales aplicaciones de la extracción sólido-líquido son la recuperación de aceite a partir de hígado de pescado o de subproductos cárnicos, la extrac­ ción de azúcar de la remolacha, la extracción de aceites comestibles de semillas o frutos se­ cos (soja, aceituna, girasol, cacahuete, algodón, etc.), la elaboración de cafó y tó instantáneos y la extracción de aceites esenciales de hierbas aromáticas. En la obtención de los aceites de semillas y frutos secos, la extracción con disolventes per­ mite una mayor recuperación de aceite que el prensado, aunque en ocasiones estas dos ope­ raciones se combinan. Como aplicaciones de la extracción líqui­ do-líquido pueden citarse la eliminación con agua caliente de componentes aromáticos y sápidos de bajo peso molecular contenidos en el aceite de pescado para obtener aceites refi­ FlGURA 12.2ó. Esquemo de un extractor de lecho móvil de Funcionamiento continuo. nados, la separación de proteínas solubles de carne y pescado con una solución enzimática y la del ácido oleico de semillas de algodón con propano. El tipo más habitual de extracción con fase de vapor es la destilación con vapor de agua (fi­ gura 12.27). El material a extraer se dispone sobre un soporte poroso y se barre continua­ mente con vapor, que arrastra los compuestos orgánicos volátiles. Estos compuestos se sepa­ ran posteriormente con facilidad en un inter­ cambiador de calor que enfría y condensa el vapor de agua, disminuyendo así la solubilidad de los solutos arrastrados. La mezcla se separa en una fase acuosa y en una fase orgánica, en­ tre las que se redistribuirán los compuestos ais­ lados según sus coeficientes de reparto. La principal utilidad es la reducción del colesterol de la grasa láctea, la obtención de aceites esen­ ciales de plantas aromáticas, la recuperación de antioxidantes de especias y el fraccionamiento de aceites esenciales con actividad antioxidante a partir de clavo, comino, romero, salvia y to­ millo. El contenido de colesterol de la grasa láctea se puede reducir con destilación a vacío con vapor de agua porque la volatilidad de este compuesto, aunque baja, es mucho mayor que la de ios triglicéridos mayoritanoe de o ta P**“ ducto. El equipo básico para la exuacdóo coa flui­ dos supercrítico* consta de un tanque de extrac­ ción, donde se mantienen las condiciones su* perrríticas, y un tanque de expansión, a menor presión (figura 12.28). Este equipo es de opera­ ción discontinua y tiene acoplados intercambia- dores de calor para controlar la temperatura y evitar un enfriamiento excesivo. El material a extraer se dispone, en el interior del tanque de extracción, en un contenedor cilindrico con ex­ tremos perforados. El fluido supercrítico se ha­ ce circular a través del extractor, disolviendo los compuestos orgánicos en su interior. A la sali­ da. tras el paso por una válvula de expansión, disminuye la presión y el fluido supercrítico pa­ sa a fase gaseosa en el separador. Los compues­ tos orgánicos anteriormente disueltos se sepa­ ran del gas, que se licúa en un condensador, por enfriamiento. Finalmente el gas licuado es pre- surizado a condiciones supercríticas mediante una bomba o compresor, antes de pasar de nue­ vo al extractor. Los cambios de temperatura y presión del medio de extracción en el extractor, separador y condensador se indican mediante los puntos A. B y C en la figura 12.24. (̂ ^ C o ndensador Separador Fase acuosa Fase orgánica Figura 12.27. Esquema de un destilador con vapor de ogua. Intercambiada de calor Residuo Válvula de expansión — C X ----- Extractor Separador Condensador C t Extracto Qa o compresor FIGURA 12.28. Representación simplificada de un sistema básico de extracción con flui­ dos supere" ticos. A, tanque de extracción; 8, tanque de expansión o separador; y C, condensador. Para una extracción simple (eliminación de un único componente de una matriz insotublc) o total (eliminación de todo el material solu­ ble), el fluido supercrítico ha de encontrarse a la tem peratura y presión más altas posibles, condiciones que corresponden a su máximo poder disolvente (figura 12.29). Para la desodo- rización, o extracción de compuestos muy solu­ bles, basta con condiciones cercanas al punto crítico, en las que el fluido tiene un bajo poder disolvente. El fraccionamiento del extracto re­ quiere aumentar paulatinamente el poder di­ solvente a partir del estado gaseoso y próximo al punto critico, aumentando la presión y la temperatura de acuerdo con la solubilidad de los compuestos a extraer. Las principales aplicaciones actuales a nivel industrial de la extracción con fluidos supercrí­ ticos son la extracción selectiva de trígiicérídos y colesterol de la yema del huevo, la descafei- nización del café y el té, así como la prepara­ ción de extractos concentrados de lúpulo y de especias. El dióxido de carbono es una buena alternativa a los disolventes clásicos (agua, clo­ ruro de metileno o acetato de etilo) utilizados para la descafeinización del café. El producto final es de excelente calidad, ya que el dióxido de carbono tiene una gran selectividad por la cafeína y el resto de los componentes del café Figura 12.29. Diagrama de fases (presión-tempero- lurc) del dióxido de carbono, mostrando ías princi­ pales aplicaciones en estado supercrítico para el procesado de alimentos. y Te son la presión y la temperatura criticas, respectivamente. no se modifican. El extracto del lúpulo contie­ ne prácticamente sólo los a-ácidos, responsa­ bles del sabor amargo de la cerveza, y puede sustituir al lúpulo crudo en la elaboración de cerveza. Un área que está experimentando un gran desarrollo es la extracción y el fraccionamiento de ifpidos, en concreto la reducción del conteni­ do de colesterol en la yema de huevo y la grasa de la leche. El dióxido de carbono, a 40 °C y 34,5 MPa, permite eliminar más del 95% del colesterol de la grasa de leche. Otros productos en los que se ha reducido el contenido en lípi- dos y colesterol con esta técnica son el aceite de pescado, la carne picada y la soja. El fracciona­ miento de la grasa láctea tiene como objetivo obtener diversas fracciones con propiedades funcionales muy concretas. Esta operación tam­ bién tiene interés para la extracción y el fraccio­ namiento de ácidos grasos insaturados n-3 de aceites de pescado, la extracción de colorantes, aceites esenciales y oleorresinas de especias y plantas aromáticas y la reducción del contenido de alcohol de vinos. 12.8.8. Cristalización La cristalización permite la separación de un material líquido en dos fases de distinta composición, una sólida y otra líquida. La frac­ ción de interés puede ser la sólida (azúcar), la líquida (zumos de fruta concentrados) o ambas (fraccionamiento de aceites). Para conseguir la cristalización de uno de los componentes de la mezcla es necesario ca­ lentar para evaporar agua o enfriar, con el ob­ jetivo. en ambos casos, de alcanzar su satura- oda. Sin embarga, a carnuda esta ac es *u5 ciente para que se inicie la cristalización, sino que es necesario potenciar la nudeación. La nucleación homogénea se logra por la adidón de cristales del soluto de interés, que dan ori­ gen a la formación de núcleos adidonales en la solución. También se puede inidar por la adi­ dón de otros cristales similares a los del soluto. de partículas de polvo o de burbujas de gas, así como por la agitación de la soludón. Se habla, entonces, de nucleación heterogénea, que es la más habitual en la Industria Alimentaria. Una vez iniciada la nucleadón o añadido el material de siembra, los cristales crecen de tama­ ño a expensas del material presente en la solu­ ción sobresaturada. La veloddad de credmiento de estos cristales dependerá de la transferenda de masa a la superficie de los cristales y de la presencia de impurezas. El control de la cristali­ zación permitirá obtener un tamaño de cristal homogéneo, que fadlite su separación posterior, o más adecuado por razones comerdales. La forma de los crista les (hábito) también de­ pende de las condiciones de crecimiento. Cuan­ do el credmiento de los cristales es muy rápido, la forma de los cristales suele ser muy extrema porque las distintas caras tienen diferente veloci­ dad de credmiento^ Las mpurezas también pue­ den modificar el hábito de cristalización de un compuesto. Otra causa del cambio de forma de los cristales es su contacto y adhesión, con for­ mación de agregados*, para evitarlo se suelen pulverizar con sustancias inertes. A) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Una de las principales aplicaciones de la se­ paración por cristalización es el fraedonamien- to de grasas. El objetivo es eliminar las fraccio­ nes de bajo punto de fus.ón en los aceites para consumo directo o para la elaboradón de ma­ yonesas. A bajas temperaturas, estas fraedones pueden alterar la apariencia y el manejo de los aceites, así como desestabilizar las emulsiones, ¿á te fracdonemter.'.'c. •(•winterización o desmar- garinado) se realiza con enfriamiento, que ha de ser muy lento para favorecer el credmiento de los cristales ya existentes y no la nucleación. Los cristales de gran tamaño, durante su sepa­ ración por filtradón, retendrán una menor pro- pordón de aceite líquido que los cristales pe­ queños. La fracción líquida obtenida es ade­ cuada para aceites de consumo y la sólida para la elaboración de margarinas. Los sustitutos de la manteca de cacao, que deben tener un rango de fusión muy estrecho, también se obtienen por fraccionamiento de otras grasas y aceites. En la concentración por congelación de ali­ mentos líquidos, el producto de interés es la frac­ ción líquida obtenida tras la cristalización del agua. El equipo consiste básicamente en un in­ tercambiador de calor de superficie rascada, en el que se obtiene una masa con cristales de hielo. Estos grandes cristales, tras ser separados del lí­ quido concentrado, se lavan para recuperar los restos de solución que los acompañan. Este tipo de concentración se recomienda para los produc­ tos sensibles al calor, en los que la eliminación de agua por evaporación ocasiona una severa modi­ ficación de sus propiedades organolépticas y nu­ tritivas. Sin embargo, el grado de concentración alcanzado es limitado y tiene mayor coste que la evaporación. Las principales áreas de interés son la concentración de zumos de fruta, bebidas al­ cohólicas y vinagre, así como el ajuste del conte­ nido alcohólico de los vinos. También se utiliza para la concentración preliminar de alimentos lí­ quidos que se van a liofilizar. Para la fabricación de sal y azúcar, donde el producto deseado es la fase sólida, se requiere calentar para evaporar agua. 12.9. Transformaciones químicas Dentro de este apartado se incluyen aque­ llas tecnologías por las que tos alimentos y/o sus componentes se transforman por reaccio­ nes químicas debidas al calor, a tratamientos químicos y enzimáticos o a la acción de micro­ organismos (fermentaciones). 12.9.1. Por tratamiento térmico Los tratamientos térmicos que se aplican durante el cocinado de los alimentos (hervir, hornear, asar, tostar, freír, etc.) tienen como principal objetivo modificar las características sensoriales (textura, sabor y aroma) de los ali­ mentos y mejorar su palatabilidad. Las tem­ peraturas empleadas contribuyen, además, en cierto grado a la reducción de la carga micro­ biana, a la destrucción de enzimas y a la dismi­ nución de la aw, bien en la superficie del pro­ ducto o en su totalidad dependiendo del tama­ ño de la pieza. Es decir, estas operaciones tienen un cierto efecto conservador. En algu­ nos productos la reducción de la am es tan in­ tensa que. con un envasado adecuado, se pue­ den mantener hasta un año a temperatura am­ biente (patatas fritas, aperitivos). Sin embargo, en la mayoría de los casos la aw final del pro­ ducto no es lo suficientemente baja y, para alargar su vida útil, se requieren métodos de conservación adicionales, como la refrigeración o el envasado. Todas estas transformaciones, que se basan en la transmisión de calor, tienen el mismo fun­ damento. Los alimentos hervidos se obtienen mediante tratamiento con agua caliente o va­ por. El término horneado se aplica normalmen­ te para productos con un contenido elevado de harina y el de asado para carnes. En ambos ca­ sos se utiliza aire caliente, aunque también in­ terviene la transmisión de calor por radiación a partir de las paredes del homo y por conduc­ ción a través de las superficies en las que están depositados los alimentos. La fritura, por su parte, hace uso de grasas y aceites como medio de transmisión de calor. En todas estas operaciones junto con la transmisión de calor, también hay transmisión de materia ya que parte del agua contenida en los alimentos se evapora y se transfiere al medio que los rodea. En la fritura hay que considerar, además, la transmisión de materia en la direc­ ción opuesta, porque una cierta proporción del aceite de fritura pasa al alimento. La evaporación de agua en la superficie del alimento durante el horneado, el asado, la fritu­ ra o el tostado provoca la formación de una cor­ teza. En ella tienen lugar complejos cambios químicos porque la temperatura de la superficie aumenta basta igualarse con la del medio de transmisión de calor (por encima de los 100 *C) aunque, mientras exista agua disponible, el inte­ rior del producto no superará tos 100 *C El tiempo y la temperatura de procesado dependen del tipo de alimento a tratar, en con­ creto de su composición química y tamaño, y de los cambios que se deseen conseguir. Así, por ejemplo, en la fritura hay que alcanzar una temperatura alta en un corto período de tiem­ po, si se desean obtener productos con un inte­ rior blando. Las altas temperaturas dan lugar a la rápida formación de una corteza, permitien­ do que el producto retenga bastante agua en su interior. En cambio, temperaturas más bajas y, por lo tanto, tiempos de procesado más largos, dan lugar a productos deshidratados más inten­ samente; esto se debe a que el frente de evapo­ ración se desplaza hada el interior del produc­ to antes de que se llegue a formar la corteza. Un nuevo método para la preparadón de alimentos que ha despertado un gran interés es el cocinado a vacío o sous vide (figura 12.30). Para ello, los alimentos se envasan a vacío y a continuación se cocinan y pasterizan simultáneamente. Tiene la ventaja sobre los métodos tradicionales de que los alimentos se cocinan en su propio jugo y retienen todos sus nutrientes y componentes sápidos y aromáti­ cos. El envasado a vacío reduce ta pérdida de humedad y los productos quedan más blandos. Además, la ausencia de oxígeno aumenta su vida útil al inhibir el crecimiento de los micro­ organismos aerobios alterantes, así como di­ versas reacciones químicas, como por ejemplo las de oxidación. La temperatura alcanzada es inferior (menos de 100 *C) que en el cocinado tradicional y el tiempo de tratamiento más lar­ go. Los alimentos requieren, tras su procesa­ do, un almacenamiento en refrigeración por la suavidad del tratamiento térmico al que son sometidos. Se desarrollaron originalmente a nivel de supermercado, como una diversifica­ ción de los alimentos preparados tipo “gour- met", pero su popularidad está aumentando Matada prima i | Preparación da la matada pnma~| IPrscoanadc/escaldado I (si as necesario) rfenvasado a vacío I (en material plástico con buenas propiedades da barrara) i I Pasterización / cocinado | (vapor, inmersión en agua caliente, etc.) I ¿ntriamiento I Preentriamierno (16-20 *C) Entnamiento (0-3 *C) I Distribución (0-3 *C. indicando vida útl) » Recalentamiento * Consumo Figura 12.30. Diagram a de flujo del cocinado jouj vide o a vocio. por su excelente calidad, sabor casero y senci­ llez de preparación. A) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Las operaciones de cocinado son fundamen­ tales en las industrias que elaboran platos pre­ parados y precocinados, así como en el catering o la restauración colectiva. El horneado y el asado se realiza en hornos, que pueden ser de calentamiento directo o in­ directo, habitualmente equipados con ventila­ dores para favorecer la convección forzada. Con respecto a su funcionamiento, pueden ser discontinuos o continuos, permitiendo estos úl­ timos un mayor volumen de producción. Las principales aplicaciones son la elaboración de carnes y pescados y de productos de panadería y pastelería (capítulo 9). La fritura por contacto se hace sobre super­ ficies metálicas calientes cubiertas por una fi­ na capa de aceite, para el procesado de lon­ chas de beicon, huevos, hamburguesas y otros alimentos que tienen una gran relación super­ ficie/volumen. La fritura por inmersión tiene un ámbito más amplio y permite un procesado homogéneo de los alimentos, independiente­ mente de su forma. Una freidora consiste bá­ sicamente en un recipiente para contener aceite y un sistema para calentarlo. La adición de metil silicona al aceite es habitual para evi­ tar la formación de espuma. En restaurantes y en algunas industrias de pequeño tamaño se suelen utilizar freidoras de operación disconti­ nua. En cambio, para las grandes industrias son preferibles (as de operación continua, con una cinta sinfín de malla perforada metálica que transporta el alimento a través de un baño de aceite. El mantenimiento de estas freidoras es un factor crítico, que requiere el acopla­ miento de sistemas de filtración para eliminar . la materia particulada y evitar su carboni­ zación. B) Efecto en los alimentos La textura de los alimentos cambia sustan- cialmence como consecuencia de estas opera­ ciones. siendo éste su principal objetivo como ya se ha indicado. La magnitud del cambio de­ pende de la composición del alimento (canti­ dad de agua, lípidos, proteínas y carbohidra­ tos), así como de la temperatura y el tiempo de calentamiento. Lo más destacable es la forma­ ción de una corteza, que permite retener una gran pane de la humedad en la masa interior. Las altas temperaturas alcanzadas provocan grandes cambios en los distintos componentes: las grasas se funden y dispersan, contribuyendo a la jugosidad; el almidón se gelatiniza; el colá­ geno se solubiliza y transforma en gelatina, más blanda; y las proteínas se desnaturalizan, disminuyendo su capacidad de retención de agua, y se contraen, aumentando la expulsión de agua y grasa y, por lo canto, la dureza del producto. Un gran número de reacciones químicas se desencadenan y progresan durante estas opera­ ciones por las altas temperaturas y la reducida am. Entre ellas cabe destacar la reacción de Maiüard o pardeamiento no enzimático, la re­ acción de Strecker, la oxidación de ácidos gra­ sos, la carameiización e, incluso, la carboniza­ ción de azúcares, grasas y proteínas. Fruto de todas estas reacciones es el desarrollo de colo­ res pardos típicos en la superficie de los pro­ ductos, así como la generación de una gran cantidad de compuestos aromáticos y sápidos (aldehidos, cetonas. lactonas, alcoholes, éste- res, etc.) que contribuyen, dependiendo de la composición original del producto y de la tem­ peratura y el tiempo de calentamiento, al sabor y olor característico de los alimentos asi trata- 'dos. Estos fenómenos se estudian en los capítu­ los 3, 4 y 5. En los alimentos fritos hay que te­ ner en cuenta que el producto final también contiene compuestos volátiles procedentes de! aceite de fritura. En general, todas estas operaciones de co­ cinado mejoran la digesúbilidad de los alimen­ tos y contribuyen a la destrucción de algunos factores antinutritivos presentes de forma na­ tural en ciertos alimentos (por ejemplo, los in­ hibidores de la proteinasa de la soja). Aunque con estas operaciones no se modifica sustan­ cialmente el valor nutritivo de los alimentos, pueden producirse pérdidas de vitaminas du­ rante la cocción (por lixiviación), el asado (por goteo) o la fritura intensa (en este caso, princi­ palmente derlas liposolubles). Los alimentos fritos tienen un mayor contenido en grasa, pe­ ro su repercusión es variable y dependiente de la cantidad retenida en el alimento y de las ca­ racterísticas del aceite (origen y ciclos de utili­ zación). 12.9.2. Por tratamiento químico y enzimático Las transformaciones químicas a las que se somete la materia prima alimentaria con el ob­ jeto de modificar su valor nutritivo o sus pro­ piedades funcionales son tan numerosas, que es prácticamente imposible hacer una relación exhaustiva de todas ellas. Como ejemplo puede citarse la modificación de grasas y aceites por hidrogenación, para cambiar sus propiedades de cristalización y fusión y mejorar su estabili­ dad; la obtención de hidrolizados proteicos con sabores y aromas típicos (a carne o pescado), que se utilizan en la formulación de sopas o salsas; la modificación química de proteínas, para mejorar sus propiedades funcionales; y la caramelización de azúcares para obtener com­ puestos coloreados o sápidos. A pesar de que la modificación química tie­ ne muchas posibilidades, la Industria Alimen­ taria muestra más interés por el empleo de en­ zimas; se debe a la especificidad de la modifi­ cación producida, para la cual se requieren tan sólo muy pequeñas cantidades de catalizador biológico. la posibilidad de realizar estas ope­ raciones en condiciones muy suaves (sobre to­ do de temperatura) y al menor gasto energéti­ co. La inmovilización de enzimas en sopones permite alargar su tiempo de utilización y re­ duce el riesgo de que queden restos en el pro­ ducto final. También hay que señalar en este caso que las aplicaciones de las enzimas en la Industria Alimentaria son muy numerosas (ca­ pítulo 6). A modo de ejemplo, puede indicarse e! empleo de proteasas para el ablandamiento de la carne o para la elaboración de quesos y el de lipasas para mejorar el aroma de los pro­ ductos lácteos. 12.9.3. Fermentcdones La fermentación de los alimentos se ha practicado desde muy antiguo, mucho antes de que se conociera su fundamento científico. Consiste, en líneas generales, en la modifica­ ción intencionada de los alimentos merced a la actividad de ciertos microorganisrr ,:ra ob­ tener productos de gusto agradable, ¿anos y es­ tables. En la Industria Alimentaria es la única operación en la que se favorece el crecimiento de los microorganismos, eso sí, de forma con­ trolada. En el pasado, el principal objetivo de la fer­ mentación era el de la conservación de algunos alimentos estacionales o perecederos gracias a ios productos finales de la fermentación (áci­ dos o alcoholes, fundamentalmente), que impi­ den el desarrollo de microorganismos patóge­ nos y alterantes. Sin embargo, en la actualidad tiene mucha más importancia desde el punto de vista de la transformación de las materias primas que permite diversificar los alimentos. Mediante las fermentaciones se obtienen nue­ vos alimentos con una textura, sabor y aroma completamente distintos de la materia prima de partida, modificaciones que son difíciles de conseguir por otros medios. Entre las ventajas que tiene la fermentación como tneuio ue procesado de los alimentos han de señalarse: a) Condiciones suaves de temperatura y pH. que contribuyen al mantenimiento de las propiedades nutritivas de los ali­ mentos y, a veces, de las sensoriales. b) La obtención de productos únicos con nuevo sabor, aroma y textura. el Un consumo energético reducido. d) Unos costes de capital y de operación re­ lativamente bajos. a Una tecnología bastante sencilla. Los microorganismos implicados son bacte­ rias (destacando, sobre todo, las bacterias lácti­ cas), algunos mohos y levaduras, bien indivi­ dualmente o combinados. Todos eilos destacan por la producción de cantidades sustanciales de enzimas que son. en último término, las res­ ponsables o catalizadores de las reacciones de interés. En la actualidad y a nivel industrial es habitual valerse de cultivos iniciadores (star- ten), que dominan la flora microbiana presente de forma natural en la materia prima y permi­ ten un mayor control de la fermentación. A ) Equipo y aplicaciones en la Industria Alimentaria Cuando se trata de alimentos líquidos, la fermentación se lleva a cabo en tanques o fer- mentadores de acero inoxidable de muy diver­ sos diseños que disponen de mecanismos de agitación y de control automático de tempera­ tura. pH. oxígeno, velocidad de agitación, en­ trada de materia prima y salida de producto, etc. Los materiales sólidos se pueden fermen­ tar en bandejas o tanques, que normalmente se sitúan en recintos con temperatura y humedad relativa controladas. Un caso especial son algu­ nos embutidos, en los que la materia prima se introduce previamente en tripas naturales u otros materiales, y cuya fermentación se puede realizar a temperatura ambiente si el clim a es adecuado; lo más habitual, sin embargo, es lle­ varla a cabo en locales con control de la tem­ peratura y de la humedad relativa del aire. Las principales fermentaciones y sus aplica­ ciones en la Industria Alimentaria se muestran en el cuadro 12.S. Cabe destacar que todas ellas, aunque deseables en los productos indicados, pueden producirse en otros alimentos de forma no controlada y dar lugar a defectos o alteracio­ nes. Por ejemplo, la fermentación propiónica. que se persigue en los quesos de pasta cocida prensada, es un defecto en otras variedades de quesos. Igualmente, la fermentación del ácido cítrico, deseable para el desarrollo del aroma en la mantequilla, es perjudicial para la calidad de otros productos como la cerveza. Conviene mencionar, por último, que hay otras fermentaciones que son indeseables. Este es el caso deia fermentación butírica, que causa C oacto 12.5. Principal»» fermentaciones y aplicación»! de interés »n lo Industrie Alimentaría. Fermentación (Sustraías - * Producás finales Aplicaciones de imponencia) LÁCTICA • Homolácrieo (monosccóncos -» ácido láctico) *Htteroláctica (monosccórídcs —* ácido láctico ♦ «tono! ♦ CO,) ALCOHÓLICA ¡monosocáridos -» etanol - CO¡) M AlO tÁC nC A (ácido móilco -» ácido láctico * C0 2¡ PROPIÓNICA jccido láctico -* ácido propiónico ♦ ácido acético * COj] Embutidos (chorizo, salchichón, etc.] Productos lácreos (yogur, queso, kéfir, etc.) Salsa» y pesias de pescado (a partir de pequeños peces y crus­ táceos) Vegetóles (pepinillos, aceitunos, coles, etc.) Pon (el C O j es el producto de interés) Bebidos alcohólicas (cerveza, «no. sidra, bebidas desdados, etc.) laches fermentados ácidoalcohólicas ¡kéfir) Vinos (reducción de la octdez) Quesos de posta cocida prensado (ácido propiómeo pora arom a y CO. pora ojos] ACÉTICA (oxidoción| V inagre ¡etcnoi — ácido ccétiea) DEL ÁCIDO CÍTRICO (ácido cítrica - * diceenlo * ocetoina) M antequilla (diocetilo y ccttoina, para aroma) profundas modificaciones en el aroma de algu­ nos productos, como el queso. También da lu­ gar a una producción excesiva de gas. respon­ sable de defectos en los ojos de algunos quesos, hinchamientos e, incluso, grietas. B) Efecto en los alimentos La fermentación de los alimentos modifica sustancialmente las características sensoriales de la materia prima de partida. Sin embargo, estos cambios no se consideran un defecto, sino que son uno de los objetivos de esta operación. En cuanto a la textura, si se degradan materia­ les poliméricos, los alimentos se ablandan. En algunos casos los productos finales tienen una textura completamente distinta a la materia prima, como por ejemplo los quesos. Por lo que respecta al sabor y aroma, en general, dis­ minuye el dulzor y aumenta la acidez. Pero destaca, sobre toao, ia generación de una gran cantidad de compuestos sápidos y aromáticos (aldehidos, ésteres, cetonas, etc.), como conse­ cuencia de la posterior transformación de los ácidos orgánicos derivados de la fermentación de los azúcares y de aminoácidos y ácidos gra­ sos libres derivados, respectivamente, de pro­ teínas y lípidos. En cuanto a la calidad nutritiva de los pro­ ductos fermentados, las suaves condiciones de procesado permiten retener la mayor par­ te de los nutrientes presentes originalmente. Además, se ha sugerido que el valor nutntivo de estos alimentos es mayor por vanas razones. La hidrólisis de proteínas y carbohidratos de elevado peso molecular, mejora su digestibili- dad. Algunos microorganismos sintetizan y pueden liberar al medio vitaminas complejas y otros factores de crecimiento y contribuir a li­ berar los nutrientes atrapados en estructuras celulares o a eliminar sustancias antinutritivas y tóxicas. Como la oxidación de azúcares du­ rante las fermentaciones no suele ser completa, sino que tan sólo se transforman en compues­ tos un poco más oxidados que los sustratos ori­ ginales, los alimentos fermentados retienen mucha energía potencial susceptible de ser uti­ lizada por el hombre. Por último, las fermentaciones prolongan la vida útil de los alimentos por muy diversos me­ canismos, entre los que se pueden citar la pro­ ducción de ácidos o de alcohol, la competencia con otros microorganismos por los sustratos presentes en el alimento, la producción de sus­ tancias bactericidas, la disminución del poten­ cial redox y, en los productos madurados, la re­ ducción de la aw. Sin embargo, a veces, no sue­ len ser suficientes para lograr su completa estabilidad, por lo que es habitual complemen­ tarlas con otros métodos de conservación sua­ ves (refrigeración, pasterización, etc.). Bibliografía APsÉAS, J. A. 0 ( !9°2): “Extrusión of food pro- tena". 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La reducción de temado tiene por objetivo dismi­ nuir ei tamaño medio de las panículos de un pro­ ducto, empleando fuerzas mecánicos; para ello, se utilizan molinos para alimentos duros y secos y picadoras para alimentos frescos, la reducción de tamaño de productos líquidos incluye la ato­ mización. la homogeneizoeión y lo emulsin- coción, empleándose para ello mezdcdoras, homogeneizedorss o molinos que generen fuer­ zas de cizcila muy intensas. 3. Lo ñoc'jiccián y !a aglomeración son operado nes que persiguen un aumento de tamaño, sien­ do la última de meyor importancia en la Industria Alimentaria porcue mejora las propiedades fun­ cionales. principalmente su rehidrotedón, de clgunos productos en polvo (por ejemplo, leche en polvo). 4. La mezcla a combinación uniforme de dos o más componentes es una de las operadones más Frecuentes en la Industria Alimentaria. El flujo necesario cera ello se genera hacitualmen- SMITH. A (1989): “Extrusión cooking. A review”. Food Science and Technology Today, 3(3): 156- 161. WIEDMANN, W. (1991): “Improving produce qua- üty through twin-screw extrusión and ciosed- loop quality control". Food Extrusión Science and Technology. J. L. Kokini. C T. Ho y M. V Ka'rwe (eds.). Marcel Dekker. Inc. Nueva York. ZEMELMAN, V. B. y KETTUNEN, D. M. (1991): “Agglomeración and agglomerator systems '. Encyclopedia o f Food Science and Technology, vol. 1. Y. H. Huí (ed.). John Wiley and Sons. Inc. Nueva York. te por medios mecánicos en una gran variedad de equipos (agitadores para líquidos y diversos tipos de mezcladoras para líquidos viscosos, postas y producios sáüdo.« y sacos], suyo elec­ ción depende de la naturaleza de los compo- - nenies a mezclar. 5. Los alimentos pastosos o muy viscosos pueden adquirir diversas formas y tamaño mediante las operaciones de moldeado o formado. Los equi­ pos son muy específicas para ceda producto (tripas o moldes para productos cárnicos, rodi­ llos o cintos sinfín con moldes para galletas y caramelos, etc.). ó. Lo textura de los alimentos se puede cambiar mediante geiificcción, texturizoáón a extrusión. La gelifictxión se logra merced c la modificación de polisacáriaos, proteínas o pcrtícuics coloidales de los oiimensos. La texturizoáón permite obtener películas, horas o oamolas con textura mastico- ble y buena retención de aguo a parir de proteí­ nas de bajatcoste. Lo extrusión es un proceso com­ plejo y continuo que permite elaborar productos muy diversos en cuanto a formo y textura a partir de unos pocos ingredientes básicos constituidos fundamentalmente por polisccáriccs [almidón) y/o proteínas. La extrusión puece recíizarse en frió, en la que los ingredientes se mezdan y mol- RESUMEN deán (pastas, masa de panadería, etc.), y en caliente (hasta 250 ®C y 25 MPa), en la que la mezcla de ingredientes se transforma en una masa fundida cuya estructura se fija ol enfriarse y /o secarse a la salido del extrusor; la evapora­ ción súbita de una parte del agua de la masa a la salida del extrusor hace que ésta se hinche y expanda, resultando en una rexlura muy porosa (por ejemplo, cereales de desayuno). 7. Las operaciones de separación se pueden llevar a cabo mediante procedimientos físicos o quími­ cos. Las primeras hacen uso de diversas fuerzas [gravedad, centrifugas o cinéticas) y dependen de las características físicas de la fase a separar, la separación con membranas se basa en la per­ meabilidad selectivo de uno o más de los consti­ tuyentes de la materia prima en una membrcnc (por tamaño y /o interacción química). Las prin­ cipales operaciones de separación con membra­ nas son: microfiltración, ultrafiltración, osmosis in­ versa, nanofiltración, diafiltración, electrodiclisis y cervaporaáón. la extrccción es une opercción de separación por medies químicos y requiere la utilización Je ccr. cuestos que rengar ••«c g-an afinidad por el producto que se deseo obtener o eliminar de la metería prima. El equipo emplea­ do pora lo extracción sólido-líquido (por ejem­ plo, ta extracción de aceites de pescado) consis­ te en tanques de lecho estático o extractores con­ tinuos de lecho móvil. Para la destilación con fase de vapor (por ejemplo, aguardientes] se uti­ lizan destiladores. La separación con Huidos supercríticos se basa en el elevado poder disol­ vente de algunos fluidos en condiciones supercrí- ticas, siendo el más frecuente el C 0 2 (a 3 1 °C y 7,38 MPa). Es uno buena alternativa a los disolventes clásicos para, por ejemplo, la des- cafeinízación del café y té. La cristalización permite separar una disolución en dos foses con distinta composición: una sólida y otra líquida. Sus principales aplicaciones son el frac­ cionamiento de grasas, le concentración de ali­ mentos líquidos a bajas temperaturas y la fabri­ cación de sel y azúcar. 8. La transformación química de ía mateno prime alimentaria requiere la aplicación ce calor (coci­ nado), tratamientos químicos o enzimcricos para mejorar su vclor nutritivo o sus propiedades fun­ cionales ¡hidrogencción de grasas, obtención de hidroiizados aróte icos, caromelización de azú­ cares. etc.) o ic actividad de ciertos microorga­ nismos ¡fermentaciones). Portada Indice 1. Concepto y Objetivos de la Tecnologia de Alimentos. 2. Agua. 3. Lipidos. 4. Proteinas. 5. Carbohidratos. 6. Vitaminas, Minerales y Enzimas. 7. Alimentos Frescos. 8. Conservacion por el Calor. 9. Irradiacion de Alimentos. 10. Conservacion por Frio. 11. Evaporacion y Deshidratacion. 12. Operaciones de Transformacion. Final